Kühler Kopf bringt mehr Leistung

Effiziente Blasfolienextrusion bedeutet eine hohe Folienqualität und größtmöglicher Massedurchsatz. Dabei stellt die Kühlung des Folienschlauches den limitierenden Faktor für hohe Ausstoßleistungen dar. Verbessert man die Kühlung, kann der Ausstoß weiter gesteigert werden. Bei konventionellen Blasfolienanlagen werden Kühlringe und Blasen-Innenkühlungen (IBC) verwendet, die den Folienschlauch mit gekühlter Luft anströmen und ihm so konvektiv Wärme entziehen. Der übertragbare Wärmestrom kann unter anderem über die treibende Temperaturdifferenz zwischen Folie und Kühlluft sowie den Wärmeübergangskoeffizienten beeinflusst werden. Dieser kann zum Beispiel durch das Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft verbessert werden. Auftretende Blaseninstabilitäten limitieren jedoch die Strömungsgeschwindigkeit [5]. Die Alternative, eine Verringerung der Kühllufttemperatur unter die bisher üblichen 10 bis 12 °C, ist zwar technisch möglich, führt aber sowohl zu höheren Energiekosten als auch zu stärkerer Kondensatbildung an den kalten Anlagenteilen.

Bild 1: Schematische Darstellung der Kühlhülse in der Blasfolienextrusion.

Mit einer Kontaktkühlung lässt sich die Wärme besser abführen, als mit der konvektiven Kühlung [1]. Dabei bietet es sich an, diese noch vor der Ausbildung des Schmelzeschlauches direkt nach dem Düsenausgang vorzusehen [4]. So können auch bestehende Anlagen nachgerüstet werden. Außerdem können dann die Foliendimensionen weiterhin frei beeinflusst werden. Die Verstreckung in der Schlauchbildungszone erfolgt durch das frühe Abkühlen bei tieferen Temperaturen, was die Relaxation von eingebrachten Orientierungen verringert. Zur Kontaktkühlung wird aus diesem Grund eine Kühlhülse eingesetzt, die direkt über dem Düsenausgang platziert wird und die konventionelle Luftkühlung ergänzt [4]. Sie besteht aus einem Grundkörper, der durch Wasser temperiert wird und als Aufnahme für die eigentliche Kontaktkühlfläche dient (Bild 1).

Bild 2: Transparenz der Folien bei einer Kühlhülsenverjüngung von 3 %

Die Oberfläche der Kühlfläche ist mit einer Topocrom-Beschichtung der Firma Topocrom, Stockach, versehen. Diese Beschichtung minimiert die Reibung der Schmelze an der Kühlfläche. Die Geometrie der Kontaktoberfläche wird durch die Höhe H = 74 mm sowie den Eintrittsdurchmesser DE = 81,5 mm und den Austrittsdurchmesser DA  der Kühlhülse definiert. Letzterer kann dabei durch verschiedene Einsätze verändert werden. Die Verjüngung – englisch „tapering“ – der Geometrie ergibt sich zu:

tap = (1 – DA/DE) x 100 %     (1)

Bild 3: Trübung der Folien bei einer Kühlhülsenverjüngung von 3 %

Der Einfluss der Kühlhülse auf den Prozess der Blasfolienextrusion und die Folieneigenschaften wird anhand verschiedener Hülsengeometrien – 0 %, 3 % und 7 % – ermittelt. Untersucht wird der Einfluss auf die Prozessstabilität, die optischen und mechanischen Folieneigenschaften sowie den maximalen Massedurchsatz. Die verwendete Blasfolienanlage von Kuhne, Sankt Augustin, hat einen Schneckendurchmesser von 45 mm mit einem L/D-Verhältnis von 24. Der verwendete Mono-Axialwendelverteiler hat einen Düsendurchmesser von 80 mm. Extrudiert wird bei allen Untersuchungen ein PE-LD Typ 310 E von Dow Europe mit einem MFR von 0,75 g/10 min (190 °C, 2,16 kg).

Bild 4: Reißspannung (MD) der Folien bei einer Foliendicke von 150 µm

Die Untersuchungen zur Prozessstabilität zeigen, dass eine Verjüngung von 3 % die höchste Prozessstabilität erreicht [2, 3]. Bei stärkeren Verjüngungen kommt es zu einer Stauchung des Folienschlauches und daraus resultierend zu lokalen Ablösungen der Schmelze von der Kontaktkühlfläche. Zylindrische und sich öffnende Kühlhülsen erzeugen großflächige Ablösungen der Schmelze von der Kontaktkühlfläche. Der Schmelzeschlauch wird ungleichmäßig abgekühlt und daraus resultieren Prozesschwankungen. Die Foliendicke ist nach unten auf 100 µm begrenzt. Dünnere Folien konnten nicht reproduzierbar hergestellt werden, da das nötige höhere Abzugsverhältnis ebenfalls zu Prozessschwankungen führte.

Bild 5: Reißdehnungen (MD) der Folien (TKH = 50 °C)

Mit Haze-gard plus C von  BYK-Gardner, Geretsried, wurden die optischen Folieneigenschaften Transparenz und Trübung (Haze) nach ASTM D 1003 gemessen. Der Einfluss auf die Transparenz der Folien ist dabei sehr gering. Wie in Bild 2 zu sehen, liegen die Werte bei Verwendung der Kühlhülse mit tap = 3 % bei verschiedenen Kühlhülsen-Temperaturen auf dem gleichen Niveau wie bei den Referenzfolien ohne Einsatz der Kühlhülse. Da die Folienoberfläche Kontakt mit der Kühlfläche hat, weisen die Folien bei Einsatz der Kühlhülse eine deutlich höhere Trübung auf – absolut um etwa zehn Prozent höher als bei den Referenzfolien (Bild 3).

Mit einer Universalprüfmaschine Zwick Z10 von Zwick, Ulm, nach DIN EN ISO 527 (Probekörpertyp 1b) wurden das E-Modul, die Zugfestigkeit und die Reißdehnung in Maschinenrichtung (MD) der Folienproben untersucht, die bei gleicher Frostlinienhöhe jeweils ohne und mit Kühlhülse hergestellt werden. Die Ergebnisse zeigen keine signifikante Abhängigkeit des E-Moduls von der Verjüngung. Auch die Reißspannungen der Folien weisen keine systematische Abhängigkeit von der Kühlhülsentemperatur oder -verjüngung auf. Zu erkennen ist eine Tendenz, nach der mit Kühlhülse die Reißspannung im Vergleich zu den Referenzproben zunimmt (Bild 4). Dies trifft insbesondere für die Temperaturen von 50 und 40 °C zu, was die Annahme von längeren Relaxationszeiten in der Schmelze in der Schlauchbildungszone durch die schnellere Abkühlung der Folie bestärkt. Die Reißdehnungen der mit der Kühlhülse hergestellten Folien liegen ebenfalls im Bereich der Referenzproben. Bild 5 zeigt die Reißdehnungen für Folien mit einer Dicke von 120 und 150 µm. Auffällig sind die großen Standardabweichungen bei der Verjüngung von 7 % – ein weiteres Indiz für das schon beschriebene Prozessverhalten mit größeren Prozessschwankungen.

Bild 6: Einfluss der Kühlhülsentemperatur auf den maximalen Massedurchsatz

Um den maximalen Massedurchsatz zu bestimmen, werden die Massedurchsätze mit und ohne Kühlhülse bei gleicher Frostlinienhöhe (TFL = 40 cm) verglichen. Zunächst wird der Einfluss der Kühlhülsentemperatur auf den maximalen Massedurchsatz durch Variation von TKH zwischen 40 und 50 °C untersucht. Bei Verwendung der Kühlhülse kann der Durchsatz für eine Folie von 380 mm Breite und 150 µm Dicke von 24,9 kg/h auf 28,6 kg/h (TKH = 50 °C) beziehungsweise 29 kg/h (TKH = 40 °C) gesteigert werden. Dies entspricht einer prozentualen Massedurchsatzsteigerung von 15  beziehungsweise 17 Prozent (Bild 6). Mit abnehmender Leistung des Kühlgebläses steigt die erreichbare Massedurchsatzsteigerung durch den Einsatz der Kühlhülse. Grund sind die veränderten Prozessebedingungen: Je größer die Leistung des Kühlgebläses ist, desto höher ist der mögliche Massedurchsatz. Daraus ergibt sich eine höhere Austrittsgeschwindigkeit der Schmelze am Düsenaustritt und auch eine höhere Abzugsgeschwindigkeit bei konstanter Foliendicke. In der Folge verringert sich die Kontaktzeit der Schmelze mit der Kühlhülse, wodurch weniger Wärme abgeführt werden kann.

Bild 7: Einfluss der Foliendicke auf die Massedurchsatzsteigerung

Der Einflusses der Foliendicke auf die maximale Durchsatzsteigerung bei einer Kühlhülsentemperatur von 40 °C wird für Folien mit 380 mm Flachlegebreite mit einer Dicke von 120 und 150 µm untersucht. Die Leistungssteigerung ist bei allen Versuchspunkten für die dünneren Folien höher (Bild 7). Der begrenzende Faktor für die abzuführende Wärmemenge scheint folglich die Wärmeleitung innerhalb der Folie zu sein, von der Innenseite zur Kontaktkühlfläche. Mithilfe der Untersuchungen können geeignete Geometrien für den Einsatz einer Kühlhülse gefunden werden. Es wird gezeigt, dass der Einsatz einer Kontaktkühlung in der Blasfolienextrusion möglich ist. Die Verwendung der Kühlhülse führt zwar zu einer erhöhten Trübung der Folien, dennoch bleiben Transparenz und mechanische Folieneigenschaften auf dem Niveau der Referenzfolien, die im konventionellen Prozess hergestellt wurden. Die Reißspannung der Folien kann durch den Einsatz der Kühlhülse gesteigert werden. Darüber hinaus kann mit ihrer Hilfe der maximale Massedurchsatz der verwendeten Blasfolienanlage gesteigert werden. Als Nachrüstlösung ist sie daher eine interessante Möglichkeit, um die Leistung bestehender Blasfolienanlagen zu erhöhen.

Das IGF-Vorhaben 17511 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und  entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank. Außerdem gilt unser Dank der Dow Europe, Horgen, Schweiz, für die freundliche Bereitstellung von Versuchsmaterial.
[1]     Ederleh, L.; Bergmann, T.; Putsch, I.: Neue Verpackungslösungen durch schnelle Abkühlung. Kunststoffe 104 (2014) 5, S. 26-31
[2]     Hopmann, C.; Hennes, J.; Hennigs, M.; Hendriks, S.: Effizienzsteigerung in der Folienextrusion. In: IKV (Hrsg.): Integrative Kunststofftechnik 2014. Aachen: Shaker, 2014, S. 1-40
[3] Hopmann, C.; Windeck, C.; Hennigs, M.: Increased output of blown film extrusion lines by using a cooling sleeve. AIP Conference Proceedings 1593 (2014) 1, S. 111-115
[4]     OHLENDORF, F.: DE 10 2007 027 280 A1 2008.12.18: Blasfolienextrusionsanlage. Patentschrift, Deutsches Patent- und Markenamt
[5] ZHANG, Z.; LAFLEUR, P.G.: Investigation of LDPE blown film instability induced by air cooling. Polymer Engineering & Science 48 (2008) 8, S. 1504-1510

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist Institutsleiter am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen, Aachen.
Marco Hennigs ist Gruppenleiter Verfahrenstechnik Extrusion am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen, Aachen.
hennigs@ikv.rwth-aachen.de