Viele Verarbeiter versuchen chemische Reaktionen während der Verarbeitung soweit wie möglich zu verhindern. Dennoch ist die Verbreitung von reaktiver Extrusion in manchen Bereichen schon weit fortgeschritten. Teile des Produktportfolios namhafter Polymerhersteller werden zum Beispiel kontinuierlich in Doppelschneckenextrudern mithilfe reaktiver Extrusion hergestellt oder modifiziert, um aus einfachen Ausgangspolymeren hochpreisige Spezialprodukte zu machen.

Doch es wagen sich nicht nur große Hersteller an dieses vermeintlich komplizierte Gebiet. Im Gegenteil: viele Verarbeiter führen reaktive Extrusionen durch und diese sogar häufig ohne es zu wissen. Ein Großteil aller Hersteller von faserverstärkten oder -gefüllten Systemen setzen ganz selbstverständlich Compatibilizer, Kopplungsagenzien oder andere Optimierungsagenzien in ihren Materialien ein, welche übrigens auch mittels reaktiver Extrusion hergestellt werden. Der Mechanismus dieser Hilfsmittel basiert darauf, dass während des Einmischens (typischerweise mithilfe der Extrusion) eine chemische Reaktion zwischen den Fasern und dem Additiv stattfinden soll. Somit führt jeder Verarbeiter, der Faser-Matrix-Koppler verwendet, eine Reaktivextrusion durch. Eine chemische Betrachtung der durchgeführten Extrusion, in diesem Fall die Kopplungsreaktion, ist also auch bei vermeintlichen Standardsystemen immer von Vorteil.

Reaktive Extrusion

Nicht für jede reaktive Extrusion ist eine teure Sicherheitstechnik nötig. Je nach durchgeführter Reaktion und Brisanz der eingesetzten Stoffe können übliche Sicherheitsausstattungen schon völlig ausreichend sein. Gleiches gilt natürlich für Dosiertechnik und die nachfolgende Bearbeitung: Je nach durchgeführter Reaktion und resultierenden Stoffeigenschaften können Standarddosierorgane völlig ausreichend sein. So hat auch bei den oben angeführten Kopplungsagenzien die stattfindende Reaktion keine Auswirkung auf die Auslegung der Dosier- oder Granulierorgane.

In Fragen der Qualitätssicherung stellen reaktive Extrusionen viele Verarbeiter vor Herausforderungen. Jedoch ist auch die Qualitätssicherung von klassischem Compounding keineswegs einfach, hierauf haben sich die Verarbeiter aber eingestellt beziehungsweise einstellen müssen. So sollten nach dem klassischen Compounding zunächst Prüfkörper aus den Materialien hergestellt werden, ehe man diese weiter untersucht oder zur Ermittlung ihrer mechanischen Eigenschaften wieder zerstört.

Für die Qualitätssicherung von reaktiven Extrusionen muss im Gegensatz dazu die chemische Struktur der resultierenden Materialien untersucht werden. Dazu lassen sich klassische nasschemische Verfahren einsetzen, welche eine gewisse Probenaufbereitung, wie Lösen und Filtrieren, erfordert. Dieser folgt die meist automatisierte Analyse und Auswertung durch einen Spezialisten. Zusammengefasst ergibt sich für jede Art der Analytik ein Vorbereitungsschritt, ein Messschritt sowie eine Auswertung. Die Verfahren der mechanischen Formgebung – meist Spritzguss – sind in kunststoffverarbeitenden Betrieben in der Regel etabliert und auch das Personal ist oft vertraut mit den Methoden der Kunststoffprüfung, während chemische Analysemethoden oder entsprechend geschulte Mitarbeiter dort eher selten zu finden sind.

Alternative Analytik

Nasschemische Analytik ist mit einem gewissen Aufwand verbunden: Verbrauchsmaterialien wie Chemikalien müssen in hoher Reinheit vorrätig gehalten und chemische Abfälle teuer entsorgt werden. Zusätzlich erfordern auch moderne und hoch automatisierte Geräte einen gewissen Aufwand an kontinuierlicher Wartung und Kalibration, um die Genauigkeit der erhaltenen Werte zu garantieren. Eine kostengünstige und vielseitige Alternative stellen dagegen spektroskopische Messmethoden dar.

Spektroskopische Analytik bezeichnet hierbei eine Analyse mittels Strahlung. Dabei unterscheiden sich die unterschiedlichen Spektroskopiearten in der Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Das Prinzip ist jedoch immer das gleiche: Eine Strahlungsquelle sendet Strahlung auf die Probe, ein Detektor misst eine Reflektion oder Streuung und aus diesen Informationen lassen sich Rückschlüsse auf die chemische Struktur ziehen. Spezialisten können zwar durch Anschauen dieser Spektren schon Informationen über das untersuchte Material geben, in der Praxis werten jedoch oft automatische Programme die Informationen der Spektren aus und vergleichen sie mit Vergleichsdaten in einer Datenbank. Im Gegensatz zu Zugversuchen, die einen definierten Probekörper voraussetzen, benötigen viele Spektrometer keine Probenvorbereitung und können variabel Bauteile, Granulatkörner oder auch Schmelzen vermessen.

Dies ermöglicht deren Einsatz nicht nur entlang der gesamten Prozesskette, auch die Einbindung in die Prozesskette ist möglich. Beispielsweise als mobiles und modular eingebautes NIR-Spektrometer an einen Laborextruder. Die dazu verwendeten Sonden sind kommerziell erhältlich und auch in Extruder größerer Bauart problemlos zu integrieren. Aufbauend auf den oben skizzierten Gedanken stellt die Verwendung von spektroskopischen Methoden in der Kunststoffverarbeitung eine vielversprechende Analysemethode dar. Im Folgenden werden zwei weitere Anwendungsfälle näher beschrieben, welche auch im Technikum des Fraunhofer ICT oftmals zur Anwendung kommen.

Qualitätssicherung mithilfe von Online-Spektroskopie

Oftmals werden im Compounding Additive eingesetzt, welche mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden sind und daher nur mit einer minimalen Zugabemenge in das Material dosiert werden sollen. Dennoch muss zur Wahrung der Produkteigenschaften die Dosierung natürlich reproduzierbar, prozesssicher und konstant sein. Der Anschluss eines Spektrometers am Ende des Extruders kann hierbei in Echtzeit die Komposition des Materials messen und der Gehalt eines speziellen Additivs lässt sich so mithilfe von Kalibrierkurven, vollständig automatisiert und in Echtzeit, überwachen.

Dies ermöglicht nicht nur dem Produzenten eine transparente Kostenkon-trolle über den Verbrauch teurer Additive, die Auswertung kann auch zur Dokumentation und Qualitätssicherung gegenüber dem Kunden dienen. Hierbei ließ sich in bereits durchgeführten Versuchen zeigen, dass schon bei Additivgehalten von 0,25 Prozent verlässliche Ergebnisse in Echtzeit mittels der Spektroskopie erhalten werden können. Je nach Ziel der Untersuchung, welche Art Additiv vorhanden ist, können diese Nachweisgrenzen auch erheblich tiefer liegen.[1] Ebenso die Analyse von Polymerblends, also das Bestimmen der Anteile verschiedener Polymere in einer Mischung, konnte auf diesem Weg von Forschern des ICT in Echtzeit bestimmt werden.[2]

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Rezyklatverarbeitung oder die Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe, die bisher mit einer schwankenden Güte je nach Anbauregion und klimatischen Bedingungen angeboten werden. Diese Eingangsströme mit schwankender Qualität oder Eingangszusammensetzung der verarbeiteten Materialien lassen sich mithilfe spektroskopischer Messmethoden zu einem frühen Zeitpunkt im Prozess automatisieren und in Echtzeit analysieren, womit steuernd auf den Prozess und/oder die Materialzusammensetzung eingegriffen werden kann. Das Messprinzip ist schematisch dargestellt: Sonden werden in den Extruder eingebracht und mittels Faseroptik an das Spektrometer angeschlossen.

Die im Spektrometer gemessenen Daten unterscheiden sich je nach Reaktionsverlauf und lassen so Rückschlüsse auf die chemische Komposition der Schmelze zu. Um dies zu validieren, werden die ebenfalls am Fraunhofer Institut ICT befindlichen Fachgruppen für nachwachsende Rohstoffe und chemischer Analytik eng in die Extrusionsversuche eingebunden.

Analytik der Struktur

Gehen die analytischen Fragestellungen über die reine Frage nach Stoffgehalten hinaus und richtet sich der Fokus auf Änderungen in der chemischen Struktur, ist dies für die Spektroskopie ohne nennenswerten Unterschied zu beantworten. Jegliche Anlagentechnik, Sondentechnik oder ähnliches ist hierbei völlig identisch zu den oben skizzierten Fällen; nur die rechnerische Auswertung der erhaltenen Daten erfolgt mit anderen Methoden. Ein aktuelles Beispiel kommt dabei aus dem (zumeist unerwünschten) Polymerabbau: Gerade in Recyklatsystemen mit Restfeuchtigkeit nimmt die Materialqualität bei zu harschen Verarbeitungsbedingungen stark ab. Die im System enthaltene Restfeuchte greift dabei die Polymerketten an, spaltet sie und verkürzt sie somit unkontrolliert, was sich in verminderter Viskosität, Schmelzefestigkeit und verschlechterten Materialeigenschaften bemerkbar macht. Dieser Prozess lässt sich durch ein gründliches Vortrocknen des Materials vermeiden und durch Bestimmung der mechanischen Eigenschaften oder nasschemische Charakterisierung analysieren.

Forscher am Fraunhofer ICT konnten jedoch zeigen, dass der Abbau der Polymerketten, also das Molekulargewicht, in Echtzeit und ohne vorangehende Probenvorbereitung direkt im Extrusionsprozess gemessen werden kann. Dazu haben die Forscher verschiedene Polyestersysteme gezielt durch eine reaktive Extrusion angegriffen und sehr definiert das Polymer geschädigt. Die Abbildung zeigt exemplarisch einige Spektren, die sich mit abnehmendem Molekulargewicht verändern. Diese Änderung lässt sich mithilfe mathematischer Datenverarbeitung quantifizieren und in ein Vorhersagemodell umwandeln. Mithilfe spektroskopischer Methoden konnten Forscher des ICT zeigen, dass in verschiedenen Materialsystemen jeweils eine charakteristische Änderung des Spektrums erfolgt, aus welcher sich direkt auf das Molekulargewicht zurückrechnen lässt.[3,4]

Basierend auf diesen Ergebnissen arbeiten Experten des ICT daran, die Anwendung der Spektroskopie, nicht nur nach beendeter Extrusion, sondern auch während des Compoundiervorgangs im Extruder, anzuwenden. Damit erreicht man über die Qualitätssicherung hinaus ein tieferes Prozessverständnis und eine Prozessoptimierung. So ließe sich mithilfe einer spektroskopischen Messung in der Verfahrenslänge in Echtzeit überprüfen, nach welcher Schneckensektion ein Additiv homogen verteilt oder an welchem Punkt des Prozesses eine gewünschte Reaktion abgeschlossen ist, beziehungsweise welche Änderungen der Prozessparameter dies begünstigen oder sich nachteilig auswirken

Autor

Über den Autor

Björn Bergmann ist Gruppenleiter Compounding/Extrusion am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, Pfinztal.