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Low-emission-plastics - Entgasung von Kunststoffcompounds kostengünstig optimiert

Sicherer Kunststoff„Save Food“ – Barrieren gegen Lebensmittelverschwendung

Sichere Tüte, genießbare Chips: Zur Interpack werden Verpackungen mit Barriere-Kunststoffen eine wichtige Rolle spielen. (Bild: Kuraray)

Barriere-Kunststoffe optimieren Lebensmittel-Verpackungen und reduzieren Lebensmittel- und Verpackungsmüll durchgängig vom Feld bis auf den Tisch des Konsumenten. Die Interpack 2017 zeigt einige neue Entwicklungen.

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Low-emission-plasticsEntgasung von Kunststoffcompounds kostengünstig optimiert

Getrieben durch strenge Grenzwerte, die beispielsweise die Automobilindustrie vorgibt, wächst der Druck, emissionsreduzierte Kunststoffrezepturen zu entwickeln. Gleichzeitig sollen aber auch die Kosten im Rahmen bleiben. Diese gegensätzlichen Ansprüche machen die Prozessentwicklung emissionsoptimierter Kunststoffcompounds zur großen Herausforderung.

Hochleistungs-Doppelschneckenextruder

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF den Entgasungsvorgang bei der Compoundierung mit gleichläufigen Doppelschneckenextrudern nach eigenen Angaben optimiert. Der Anteil flüchtiger organischer Verbindungen sei um rund 70 Prozent, verglichen zum Stand der Technik, reduziert worden. Damit sollen Compoundierunternehmen schnell auf Forderungen nach einem geringeren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen im Compound reagieren können, was sich direkt positiv auf den wirtschaftlichen Erfolg auswirke. Mit dem Ziel deutlich emissionsärmerer Kunststoffprodukte will das Fraunhofer LBF seine Untersuchungen künftig entlang der Wertschöpfungskette auf den Spritzgießprozess ausweiten.

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Das Forschungsprojekt wurde laut LBF unter industrienahen Verarbeitungsbedingungen durchgeführt. Ziel war, die Emissionen von PP-Talkum-Compounds im Vergleich zum Stand der Technik ohne Einbußen bei der Wirtschaftlichkeit signifikant zu reduzieren. Aufbauend auf der Hypothese, dass der Polymerabbau während der Verarbeitung hohen Einfluss auf die Emissionen hat, wurde ein materialschonender Schneckenaufbau gewählt. Damit ließen sich der Polymerabbau und gleichzeitig der Anteil der Restflüchte im Compound deutlich reduzieren.

Die Compoundhomogenität war jedoch unbefriedigend. Mit den Erkenntnissen aus systematischen Versuchsblöcken sowie den Empfehlungen aus dem Stand der Technik entwickelte und baute das LBF eine neuartige modulare Entgasungszone. Damit ließen sich die für die Entgasung relevanten Parameter systematisch variieren und deren Einfluss auf die Gesamtemissionen dokumentieren.

Entgasungseinheit

Kohlenstoffkonzentration -70 Prozent
Wie sich zeigte, ist für eine effektive Entgasung bei hohen Schneckendrehzahlen und Maschinenauslastungen auch eine, im Vergleich zum Stand der Technik, deutlich längere Entgasungszone notwendig. Um die erforderliche Verfahrenslänge dabei nicht zu erhöhen, passte das LBF den Verfahrensabbau, bei weiterhin ausreichender Dispergierung der Füllstoffe, an. Durch Einsatz einer modularen Entgasungszone mit angepassten Entgasungseinsätzen wurde ein optimiertes Vakuumprofil eingestellt werden. Für zwei untersuchte Schneckendrehzahlen (600 und 1200 Umdrehungen pro Minute) ließ sich die Restflüchte durch den so optimierten Gesamtprozess signifikant senken. Verglichen mit dem Compound nach aktuellem Stand der Technik sei die Gesamtkohlenstoffkonzentration um über 70 Prozent reduziert worden. Sie lag damit sogar unterhalb des Ausgangswerts des unverarbeiteten Basispolymers.

Die Forschungsarbeiten veranschaulichen, dass sich die Emissionen aus Kunststoffcompounds auch bei hohen Maschinenauslastungen mit einer optimierten Entgasungszone deutlich mindern lassen – ohne den Einsatz von Schleppmitteln und Hochvakuum. Die Projektergebnisse ermöglichen einen weiteren Schritt in Richtung „Low-emission-plastics“.

Forschungsergebnisse für Industrie direkt nutzbar
Basierend auf den Forschungsergebnissen könne das Fraunhofer LBF der Compoundierindustrie Verfahrensparameter an die Hand geben, mit denen sich die Entgasungsleistung von Hochleistungs-Doppelschneckenextrudern mit nur geringen Investitionskosten für hohe Durchsätze optimieren lässt. Das Institut hat Empfehlungen erarbeitet, wie schon vorhandenes Equipment für eine optimierte Entgasung eingesetzt und gegebenenfalls modifiziert werden kann, und an welcher Stelle zusätzliche Investitionen eine weitere Flüchtereduzierung ermöglichen.

Wie hoch das Potential liegt, mit Änderungen am Prozess oder an der Maschine die Entgasungsleistung zu verbessern, könne das LBF mit einer Kosten/Nutzen-Rechnung in Kombination mit einfachen, systematischen Compoundierversuchen kundenspezifisch abschätzen. Dank der Praxisnähe des Projekts sollen sich die Ergebnisse in der Industrie direkt umsetzen lassen.

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