CHRISTINA HIRT U. A.
W
PC-Produkte auf PVC-Basis treffen seit einiger Zeit, trotz des überwiegenden Einsatzes von polyolefinbasierten WPC-Produkten am Weltmarkt, vor allem wegen der guten Witterungsbeständigkeit von PVC für Außenanwendungen auf wachsendes In- teresse.Die Aufbereitungs- und Verarbeitungs- technologien sind hierbei verfahrenstech- nisch mit der PVC-Aufbereitung ver- gleichbar. Die Herstellung von rieselfähi- gen Trockenmischungen aus einzelnen
Rohstoffen, den sogenannten Dryblends, in einem Heiz/Kühl-Mischer und die anschließende Verarbeitung auf einem gegenlaufenden Doppelschneckenextru- der ist für PVC Stand der Technik und kann auch für die Aufbereitung und Ver- arbeitung von WPC auf Basis von PVC eingesetzt werden. Allerdings treten bei der Aufbereitung von WPC-Dryblends in einem Heiz/Kühl-Mischer Probleme auf, die bei der klassischen Aufbereitung von PVC-Dryblends nicht existieren. Die ein- zelnen Mechanismen zur Beschreibung der Plastifiziervorgänge von PVC, der Mi- gration der Additive in das PVC-Korn oder in die Holzpartikel sowie der Anbin- dung der Holzpartikel an das PVC-Korn, sind bislang nicht genau bekannt. Durch
die aus dem Holz entweichende Feuch- tigkeit kann es zudem je nach Feuchtege- halt der Holzpartikel und Effektivität der eingesetzten Aspirationsanlage zur Bil- dung von Kondensaten und Agglomera- ten im Mischer sowie zu einer unzurei- chenden Anbindung der Holzpartikel an das PVC-Korn kommen. Dies wiederum kann zu Inhomogenitäten in der Mi- schung und einer erschwerten Verarbei- tung führen.
Aus diesem Grund wurde im Rahmen einer Kooperation des SKZ mit namhaf- ten Industrieunternehmen die Aufberei- tung von WPC-Dryblends in Heiz/Kühl- Mischern systematisch untersucht und optimiert.
Die WPC-Rezeptur
Die Hauptbestandteile von WPC sind Kunststoff, Holz und eine Vielzahl von Additiven [1]. Als Matrixmaterial eignen sich hierfür in erster Linie Kunststoffe mit einer Schmelz- bzw. Verarbeitungstem- peratur unterhalb von 200°C, da höhere Temperaturen zu einer irreversiblen Schädigung der Holzbestandteile führen.
Neben der Auswahl geeigneter Polyme- re sowie Holzfaserarten und -formen, zeigt auch die Additivierung einen ent- scheidenden Einfluss auf die Gebrauchs- eigenschaften und die Verarbeitbarkeit von WPC. Je nach Anwendungsfall kön- nen zahlreiche in der Kunststoffindustrie geläufige Stabilisatoren, Pigmente und weitere Zusatzstoffe eingesetzt werden [2, 3, 4].
Wird zur WPC-Herstellung PVC als Matrixmaterial eingesetzt, liegt dieses in der Regel als Pulver vor. Die Aufbereitung unterteilt sich in diesem Fall in zwei Pha- sen, da das pulverförmige PVC und die geringen Mengen an meist ebenfalls pul-
Von der Rezeptur bis zum Produkt
Wood Plastic Composites (WPC). Die Herstellung von WPC-Dryblends auf PVC- Basis in einem Heiz/Kühl-Mischer sowie die anschließende Verarbeitung zu Profilen können nach einigen ausgewählten Anpassungen aus der PVC-Verarbeitung
übertragen werden. Bei der Mischungsherstellung müssen allerdings die Einflüsse von Rezeptur, Verfahrenstechnik und Prozessparametern beachtet werden.
ARTIKEL ALS PDFunter www.kunststoffe.de Dokumenten-Nummer KU111055
Extrusion von Profilen aus WPC-Dryblends auf PVC-Basis(Bilder: SKZ)
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verförmigen Additiven eine Direktverar- beitung z.B. auf einem Extruder nicht zu- lassen. Im ersten Schritt werden durch Mischen, vorzugsweise in einem Heiz/Kühl-Mischer, die Additive bzw. das speziell für die PVC-Verarbeitung herge- stellte Additiv-One-Pack mit den PVC- Körnern vermengt und zu einem Dryblend aufbereitet (Bild 1). Ein Auf- schmelzen des PVC-Korns findet hierbei nicht statt. Erst während der weiteren Ver- arbeitung, meistens ein Extrusionsschritt, kommt es durch Temperatur und Sche- rung zum Gelieren des PVC.
Zur Untersuchung des Aufbereitungs- verfahrens von WPC-Dryblend in einem Heiz/Kühl-Mischer wurde eine Aus- gangsrezeptur aus einem PVC mit einem K-Wert von 57, den Holzfasern Arbocel C 100 mit einer mittleren Faserlänge von 70 bis 150 µm der J. Rettenmaier & und Söhne GmbH+Ko.KG, Rosenberg, mit ei- nem Anteil von 50 Gew.-% und dem One-Pack Naftosafe GHX 922 B der Chemson Polymer – Additive AG, Ar- noldstein/Österreich, herangezogen. Die- ses One-Pack, bestehend aus einem Stabilisator-/Gleitmittelcompound auf Ca/Zn-Basis, wurde speziell für die Ex- trusion von PVC-Mischungen mit einem hohen Anteil von Naturfasern optimiert.
Die Aufbereitung im Heiz/Kühl-Mischer
Heiz/Kühl-Mischer zur Aufbereitung von Dryblends bestehen in der Regel aus zwei Behältern, in denen sich ring- oder pro- pellerförmige Mischwerkzeuge befinden, welche durch Elektromotoren auf Um- fangsgeschwindigkeiten von üblicherwei- se 16 bis 60 m/s angetrieben werden.
In Bild 2ist ein typischer Temperatur- verlauf des Mischvorgangs von PVC in einem Heiz/Kühl-Mischer dargestellt. In den ersten Minuten wird das PVC mit den Additiven vermischt und Friktions- energie in das Material eingebracht. Ab
einer Temperatur von etwa 70 °C schmilzt der Hauptteil der Additive auf, wodurch das Mischgut klebrig wird und die Rieselfähigkeit abnimmt. Im weite- ren Verlauf des Mischvorgangs benetzen die aufgeschmolzenen Additive das PVC- Korn und die Rieselfähigkeit der Mi- schung nimmt wieder zu. Bei einer Mi- schungstemperatur von üblicherweise 120°C wird das Dryblend in den Kühl- mischer geleitet und auf ca. 45°C herun- tergekühlt [4, 5, 6, 7].
Die Untersuchungen
Im Rahmen der Untersuchungen wurden zum einen Veränderungen an der Rezep- tur durch Zugabe von Kreide und Varia- tion des PVC-Typs, der Faserart, der Holzfasergröße, der Holzpartikelfeuch- tigkeit sowie Art und Anteil des Gleitmit- tels vorgenommen und zum anderen Ver- änderungen an den Prozessparametern beim Mischen durchgeführt. Für die Auf- bereitung von WPC-Dryblend mit dem Heiz/Kühl-Mischer ist die Holzfaserzu- gabe prinzipiell vor oder nach dem Heiß- mischen möglich. Im Rahmen der Unter- suchungen dieser Kooperation wurden beide Varianten analysiert und verglichen.
Die Aufbereitung der Rezepturen erfolg- te mit einem Heiz/Kühl-Labormischer
(Typ: FML10 – KM23; Hersteller: Zeppe- lin Reimelt GmbH) (Bild 3)sowie einem Container-Mischer. Anschließend wur- den die Eigenschaften der WPC- Dryblends systematisch mittels optischer Untersuchungen, wie Licht- (LIM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM), so- wie durch Ermittlung der Schüttdichte, der Rieselfähigkeit, des Feuchtegehalts, der Plastifizierbarkeit und der Verarbeit- barkeit charakterisiert, Profile aus den Mischungen extrudiert und an diesen die mechanischen Eigenschaften sowie die Wasseraufnahme und die Dimensionsän- derungen ermittelt. Zusätzlich wurde ei- ne Übertragung der Projektergebnisse auf den Produktionsmaßstab vorgenommen.
Eigenschaften der
WPC-Dryblends und der daraus hergestellten Profile
Bei der Herstellung von WPC-Dryblends der gleichen Rezeptur in unterschiedlichen Mischergrößen stellte sich heraus, dass qualitativ identische WPC-Dryblends her- gestellt werden können.Infolgedessen eig- net sich der kleinere Heiz/Kühl-Labormi- scher optimal für Voruntersuchungen im kleinen Maßstab,während der größere Mi- scher für die Mischungsherstellung für die Profilextrusion zum Einsatz kommt.
Bild 1. WPC-Hauptbe- standteile (Holz, PVC und Additive, links) und auf- bereitetes WPC-Dryblend (rechts)
Mischzeit 140
°C 100 80 60 40 20 00
Temperatur
2 4 6 8
Heizmischer
Kühlmischer
10 12 min 16
Bild 2. Schematische Darstellung des Tem- peraturverlaufs in ei- nem Heiz/Kühl- Mischer nach [4]
© Kunststoffe
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Des Weiteren konnte festgestellt wer- den, dass der Einsatz einer PVC-Type mit höherem K-Wert keine signifikan- ten Auswirkungen auf die Dryblend-Ei- genschaften, das Verarbeitungsverhal- ten, die mechanischen Eigenschaften und die Wasseraufnahme hat. Eine Er- höhung des Holzanteils auf 60 Gew.-%
führte erwartungsgemäß zu einer Ver- ringerung der Schüttdichte, da die ein- gesetzten Holzfasern Arbocel C 100 T mit 0,140 bis 0,180 g/ml eine deutlich geringere Schüttdichte als das PVC (0,575 g/ml) aufweisen. Zudem er- schwerte der höhere Holzanteil die Ver- arbeitung und beeinflusste die mecha-
nischen Eigenschaften und die Wasser- aufnahme negativ.
Der Zusatz von 10 phr Kreide bewirk- te durch eine verbesserte Wärmeleitfähig- keit der Mischung eine Verbesserung des Verarbeitungsverhaltens, jedoch bildeten sich während der Extrusion Kreideagglo- merate im Profil. Die mechanischen Ei- genschaften und die Wasseraufnahme wurden nicht signifikant beeinflusst. Die Schüttdichte blieb durch den geringen Anteil an Kreide unverändert.
Durch die Variation unterschiedlicher Anteile an inneren und äußeren Gleitmit- teln konnten, bis auf eine etwas geringe- re Drehmomentbelastung des Extruders durch die Zugabe von äußeren Gleitmit- teln, bei der Verarbeitung kaum Unter- schiede in den Eigenschaften des Dryblends bzw. in den mechanischen Ei- genschaften des Profils im Vergleich zur Basisrezeptur festgestellt werden.
Der Ausgangsfeuchtegehalt der einge- setzten Holzfasern zwischen 2 und 10 % zeigte keinen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Profile, solange der entstehende Wasser- dampf bei der Extrusion gut abführbar war und es somit nicht zu Blasenbildung im Profil kam. Um diese Einflüsse zu mi- Bild 3. Heiz/Kühl-Labormischer Typ: FML10 – KM23
nimieren, sollte folglich die Feuchtigkeit der Holzfasern für die Verarbeitung möglichst gering sein. Weiterhin sollte sichergestellt sein, dass die Restfeuchtig- keit während der Verarbeitung entzogen werden kann. Eine Agglomeratbildung bereits beim Mischen konnte während der Untersuchungen nicht beobachtet werden.
Der Einsatz unterschiedlicher Faserar- ten bzw. Holzfasergrößen resultiert in ers- ter Linie in unterschiedlichen Schüttdich- ten der WPC-Dryblends. Eine geringere Schüttdichte kann, wie im Fall der Cellu- losefasern ArbocelZZ40, zu Verarbei- tungsproblemen führen, da dem Extru- der mit sinkender Schüttdichte bei gravi- metrischer Dosierung ein größeres Ma- terialvolumen zugeführt wird. Die mechanischen Eigenschaften der Profile werden durch die kleineren Holzfasern ArbocelCW630 negativ beeinflusst, während die längeren Cellulosefasern die Schlagzähigkeit durch das höhere Aspekt- verhältnis verbessern. Hierdurch werden jedoch die Biegeeigenschaften aufgrund der geringeren Steifigkeit der Fasern ne- gativ beeinflusst. Die kleineren Holzfa- sern und die Cellulosefasern zeigen ge-
ringfügige Vorteile bei der Wasseraufnah- me und Dimensionsänderung.Bild 4 zeigt mikroskopische Aufnahmen der unter- suchten Fasertypen.
Die Untersuchung der Verfahrenspa- rameter des Mischprozesses ergab, dass sowohl die Mischzeit als auch der Ener- gieverbrauch aufgrund der verschiede- nen Parameter deutlich variierten. So verlängerte sich die Mischzeit beim Heißmischen mit steigender Endtempe- ratur und mit sinkender Drehzahl (Bild 5) sowie beim Kühlen mit niedrigerer Entnahmetemperatur. Der Energiever- brauch beim Mischen von WPC- Dryblend korrelierte hierbei mit der
Mischzeit. Aus wirtschaftlicher Sicht sollte somit immer eine möglichst kur- ze Mischzeit angestrebt werden, hierbei muss jedoch darauf geachtet werden, dass mit einer zu hohen Mischerdreh- zahl das Material geschädigt werden könnte und bei einer zu niedrigen Auf- heiztemperatur die Additive nicht voll- ständig aufschmelzen und das PVC be- netzen können. Durch die Variation der Verfahrensparameter beim Mischen werden die WPC-Dryblendeigenschaf- ten, das Verarbeitungsverhalten, die mechanischen Eigenschaften und die Wasseraufnahme nicht wesentlich be- einflusst.
Die Zugabe der Holzfasern vor dem Heißmischprozess verlängerte durch die geringere Friktion und die stärkere Küh- lung der verdampfenden Holzfeuchte die Mischzeit im Container-Mischer bei den Laborversuchen im SKZ und führte so- mit zu einem höheren Energieverbrauch im Vergleich zu der Holzzugabe nach der PVC-Dryblendherstellung. Der Energie- verbrauch des Mischers bei einer Holz- zugabe vor dem Heißmischen verhält sich ebenfalls analog zur Mischzeit. Eine Haftung der Holzfasern am PVC-Korn konnte weder bei einer Holzzugabe vor noch nach dem Heißmischen beobach- tet werden.
Bei der Übertragung der Ergebnisse auf den Heiz/Kühl-Mischer (Typ: FM200 – KM350, Hersteller: Zeppelin Reimelt GmbH, Kassel) im industriellen Maßstab konnte festgestellt werden, dass durch den höheren Energieeintrag während des Mi- schens eine Verkürzung der Mischzeiten im Vergleich zum Labormischer möglich ist. Durch die Zugabe der Holzfasern vor dem Heißmischen war eine tendenziell höhere Maschinenbelastung während der Profilextrusion zu verzeichnen, jedoch er- gaben sich auch geringfügig bessere me- chanische Eigenschaften der Profile. Eine Übertragung von Laboruntersuchungen ist somit auf größere Mischer im indus- triellen Maßstab möglich.
Endtemperatur 8000
6000
4000
2000
0 Wh
110 120 °C 130
kumulierte Energie
Heizen Kühlen Gesamt
Drehzahl 8000
6000
4000
2000
0 Wh
600 800 min-11000
kumulierte Energie
Heizen Kühlen Gesamt
Bild 5. Einfluss der Endtemperatur (links) und der Drehzahl (rechts) während des Heißmischens auf den Energieverbrauch
© Kunststoffe
Bild 4. REM- und Lichtmikroskop-Aufnahmen der Holzpartikel vom Typ Arbocel C 100 T (oben), Arbocel CW 630 (Mitte) und Arbocel ZZ 40 (unten)
Weiterhin gilt es zu erwähnen, dass alle hergestellten WPC-Dryblends, un- abhängig von ihrer Rezepturzusammen- setzung, der Prozessparameter beim Mischen sowie der Zugabesituation der Holzfasern, nicht rieselfähig sind. Die Rieselfähigkeit des Dryblends ist neben der Schüttdichte maßgebend für die Dosierbarkeit der Materialien und muss bei der Verarbeitung von WPC-Dryblend entsprechend berücksichtigt werden.
Fazit
Im Rahmen der Industriekooperation mit fünf namhaften Projektpartnern konnten die Mechanismen beim Aufbereitungspro- zess von WPC auf PVC-Basis in einem Heiz/Kühl-Mischer systematisch unter- sucht werden. Dabei wurden sowohl re- zeptur- als auch aufbereitungsbedingte Einflüsse identifiziert, welche Auswirkun- gen auf die WPC-Dryblendeigenschaften an sich,deren Verarbeitbarkeit und die fer- tigen WPC-Produkte haben. Weiterhin konnten Prüfmethoden entwickelt und ge- testet werden, welche zur schnellen Cha- rakterisierung von WPC-Dryblend geeig- net sind. Basierend auf diesen Untersu- chungen kann die Qualität der WPC- Dryblends verbessert werden.
DANK
Wir danken unseren Projektpartnern Chemson Poly- mer – Additive AG, J. Rettenmaier & Söhne GmbH + Co. KG, Rehau AG + Co., Schüco International KG und Zeppelin Reimelt GmbH für die gute und erfolgreiche Zusammenarbeit sowie für die großzügige Bereitstel- lung von Materialien und Maschinenbauteilen.
LITERATUR
1 Oksman Niska, K.; Sain, M.: Wood-polymer com- posites. Woodhead Publishing Limited, Cambridge 2008
2 Grüneberg, T.; Radovanovic, I.; Kurda, K.; Kret- schmer, K.: Holz und Kunststoff – die Eigenschaf- ten der Rohstoffe für Wood Plastic Composites (WPC). Holztechnologie 50 (2003) 2, S.36-40 3 Radovanovic, I.; Kurda, K.; Kretschmer, K.; Müller,
M.; Krause, A.: Liaison Holz und Kunststoff – Ein- satzmöglichkeiten von Wood-Plastic-Composites im Fensterbau. Rosenheimer Fenstertage, Rosen- heim 2009
4 Röhrl, E.: PVC Taschenbuch. Hanser, München 2007
5 Diemert, J.: PVC. In: Eyerer, P.; Hirth, T.; Elsner, P.
(Hrsg.): Polymer Engineering, Technologien und Praxis. Springer Verlag, Berlin 2008 6 Heine, J.: Mischen von PVC. PVC Herstellung -
Rezeptierung - Verarbeitung. VDI-Wissensforum, VDI-Verlag, Düsseldorf 2002
7 Michaeli, W.: Einführung in die Kunststoffverar- beitung. 6. Aufl. Hanser, München 2010
DIE AUTOREN
DIPL.-ING. CHRISTINA HIRT, geb. 1985, ist wis- senschaftliche Mitarbeiterin im Kunststoff-Zentrum (SKZ), Würzburg; c.hirt@skz.de
DR.-ING. KARSTEN KRETSCHMER, geb. 1973, ist stellvertretender Geschäftsführer der Forschung und Entwicklung und Leiter des Geschäftsfelds Compoun- dieren/Extrudieren im Kunststoff-Zentrum (SKZ), Würzburg; k.kretschmer@skz.de
DR.-ING. PETER HEIDEMEYER, geb. 1959, ist Ge- schäftsführer der Forschung und Entwicklung im Kunststoff-Zentrum (SKZ), Würzburg; p.heidemey- er@skz.de
PROF. DR.-ING. MARTIN BASTIAN, geb. 1966, ist Institutsdirektor des Kunststoff-Zentrums (SKZ), Würzburg; m.bastian@skz.de
SUMMARY
FROM THE FORMULATION TO THE FINISHED PRODUCT
WOOD PLASTIC COMPOSITES (WPC). After a few se- lective modifications, the production of PVC-based WPC dryblends in a heater-cooler mixer and the subsequent processing to form profiles can be copied from PVC pro- cessing. Attention has to be paid, however, to the in- fluences of formulation, process technology and process parameters during the production of the mixture.
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