Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die dispersive und distributive Mischwirkung einzelner Schneckenelemente auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder zur Einarbeitung mineralischer Füllstoffe untersucht. Zur Analyse des Mischverhaltens ausgewählter Schneckenelemente wurden numerische Simulationen mittels einer 3D CFD-Strömungssimulation mit nachgeschalteter Partikelverfolgung durchgeführt. Insgesamt wurden 60 Simulationen unter Variation folgender Parameter realisiert: fünf Schneckenelemente, zwei polymere Matrixsysteme, zwei Extrudergrößen und drei Drehzahlen.
Die Bewertung des distributiven Mischens erfolgte durch die Analyse der Partikelverteilung in einer definierten Auswertungsebene. Das dispersive Mischen wurde anhand der maximal auftretenden Schubspannung auf der Partikelbahn sowie des Schubspannungsintegrals untersucht. Zur experimentellen Validierung wurden Untersuchungen in einer Mischkammer durchgeführt. Dabei wurden die fünf Schneckenelemente unter Variation der Drehzahl, des Matrixmaterials, des Füllstoffs sowie des Füllgrads analysiert. Die Mischgüte wurde durch eine Analyse des Ein- und Ausgangszustands vor und hinter der Mischkammer bewertet. Die Bewertung des distributiven Mischens erfolgte anhand der Grauwertverteilung geschliffener Proben, während für das dispersive Mischen die Summenverteilung der Partikelgrößen bestimmt wurde. Anschließend wurden die experimentellen und simulierten Ergebnisse korreliert, um Zusammenhänge zwischen numerischer und physikalischer Untersuchung zu identifizieren.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass sowohl die Schneckenelementgeometrie als auch die Drehzahl einen signifikanten Einfluss auf das distributive Mischverhalten haben. Eine Erhöhung der Drehzahl führt zu einer verbesserten distributiven Mischgüte. Besonders geeignet für das distributive Mischen erwiesen sich der Knetblock KB90/5/24, der KB45/5/24 sowie das Zahnmischelement ZME 8/16. Bezüglich des dispersiven Mischens konnte festgestellt werden, dass dieselben Schneckenelemente ebenfalls eine hohe dispersive Mischwirkung aufweisen. Neben der Drehzahl beeinflusst zudem die Wahl des polymeren Matrixmaterials das dispersive Mischen. Die experimentellen Untersuchungen ergaben, dass die eingesetzten Talkumvarianten in der Mischkammer nicht dispersiv gemischt wurden. Zudem zeigte sich, dass die distributive Mischgüte in der Mischkammer weder durch die Drehzahl noch durch den Füllstoffanteil oder das verwendete Schneckenelement beeinflusst wurde. Hingegen konnte ein Einfluss des Füllstoffs und des polymären Matrixmaterials auf die distributive Mischgüte festgestellt werden. Eine Korrelation zwischen den numerischen Simulationsergebnissen und den experimentellen Ergebnissen konnte nicht nachgewiesen werden.
Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf „reale“ Doppelschneckenextruder wurde durch Untersuchungen mit einer ZSK25 und einer ZE28BP evaluiert und bestätigt. Die Schneckenkonfiguration beeinflusst die distributive Mischgüte signifikant, während kein Einfluss auf die dispersive Mischgüte festgestellt werden konnte. Zur Untersuchung der Übertragbarkeit auf alternative Füllstoffe wurde TiO₂ als Modellsubstanz gewählt. Die Ergebnisse zeigen, dass für TiO₂ unabhängig von der Extruderkonfiguration und dem Schneckendesign identische distributive Mischgüten erzielt wurden, während kein dispersives Mischen stattfand.
Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine Handlungsempfehlung für die industrielle Anwendung abgeleitet.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 08/2022 bis 12/2024 an der Universität Paderborn, Kunststofftechnik Paderborn, Fachgebiet Kunststoffverarbeitung (Warburger Str. 100, 33098 Paderborn, Tel. 05251/60-2451) unter der Leitung von Prof. Dr. Volker Schöppner (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. Volker Schöppner).
Das IGF-Vorhaben Nr. 22554 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.