Verfahren zum Behandeln von Pulver oder Granulat eines thermoplastischen Kunststoffs oder eines Kautschuks in einer Schneckenmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Pulver oder Granulat eines ther- moplastischen Kunststoffs oder eines Kautschuks, der durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld erwärmbar ist, in einer Schneckenmaschine, wobei das Pulver oder Granulat des thermoplastischen Kunststoffs oder des Kautschuks vor der Zuführung zur Schneckenmaschine auf eine Temperatur unterhalb der Kristallitschmelztemperatur bei teilkristallinen thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuken und unterhalb des Schmelzberei- ches bei amorphen thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuken vorgewärmt, der Schneckenmaschine aufgeschmolzen und homogenisiert und anschließend durch eine Extrusionsdüse gepresst, granuliert oder zu Formteilen verarbeitet wird.

Als Schneckenmaschinen werden in bekannter Weise Apparate bezeichnet, die eine oder mehrere Schnecken zum Aufschmelzen, Fördern und Druckaufbau in einem Polymeren aufweisen. Kontinuierlich arbeitende Schneckenmaschinen werden in der Regel als Extruder bezeichnet. Weitere Schneckenmaschinen sind beispielsweise Spritzgießmaschinen, die semikontinuierlich arbeiten.

Die Granulierung von thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuken ist bekannt und dient dazu, die thermoplastischen Kunststoffe oder Kautschuke zu homogenisieren und ggf. Zuschlagstoffe und Additive wie Stabilisatoren, Färbemittel, Mittel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Füllstoffe und ähnliche in die thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuke einzuarbeiten. Außerdem lässt sich die Handhabung der thermo- plastischen Kunststoffe oder Kautschuke bei Transport und Weiterverarbeitung durch Granulierung erheblich gegenüber der Handhabung von Pulver verbessern.

Neben der direkten Kopplung von Polymerisation und Granulierung, bei der das Pulver des thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks oft noch über Restwärme aus dem PoIy- merisationsprozess verfügt und aus diesem Grund dem Extruder bei erhöhter Temperatur zugeführt wird, ist insbesondere bei Compoundier-Verfahren die Zugabe von Pulver des thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks zur Schneckenmaschine bei einer Temperatur, die der Umgebungstemperatur entspricht, üblich. Dies liegt insbesondere an der Zwischenlagerung des Pulvers in Siloanlagen und an den Transportmethoden über pneumati- sehe Fördersysteme, wobei im Allgemeinen eine vollständige Abkühlung des Pulvers auf Umgebungstemperatur eintritt.

Bei der Compoundierung wird also in aller Regel Pulver des thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks der Schneckenmaschine bei Umgebungstemperatur als Schüttgut zuge- führt. Dabei muss das Pulver nach der Einzugszone der Schneckenmaschine aufgeschmolzen werden: dies erfolgt zum weitaus überwiegenden Teil über die Antriebsenergie

der Schneckenmaschine, welche dissipativ in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Aufschmelzen erfolgt überwiegend durch die Umsetzung von mechanischer Energie in Wärme und wird, insbesondere bei großen Schneckenmaschinen nur in geringerem Umfang, durch eine äußere Heizung unterstützt. Gleichwohl ist eine äußere Heizung zum Anfahren der Schneckenmaschine notwendig.

Das Aufschmelzen des Pulvers über die Antriebsenergie der Schneckenmaschine bedeutet einen hohen energetischen Aufwand und darüber hinaus ist das Material während des Aufschmelzvorgangs einer starken Scher- und Dehnbeanspruchung unterworfen, die je nach chemischer Natur des thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks zu Abbau- und/oder Vernetzungsreaktionen führen kann.

Weiterhin besteht insbesondere bei großen Extrudern die Gefahr der Bildung so genannter Grießnester, das heißt Bereiche von nicht aufgeschmolzenem Material, die in diesem Zu- stand aus der Schneckenmaschine austreten.

Die obigen Nachteile, die mit dem Aufschmelzen von Pulver eines thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks in der Schneckenmaschine verbunden sind, das bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Umgebungstemperatur, zugeführt wird, können weitgehend reduziert werden, indem das Pulver vor der Aufgabe auf den Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Ein derartiges Verfahren ist in der WO-A 01/70473 vorgeschlagen. Insbesondere soll das Pulver mit Wasserdampf erhitzt und anschließend mit Heißluft getrocknet oder durch eine von außen beheizte Röhre geleitet werden.

Es war demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, wonach der Feedstrom zur Schneckenmaschine, insbesondere auch bei hohen Massenströmen desselben, gegenüber bekannten Verfahren gleichförmiger aufgewärmt, und somit insbesondere auch eine verbesserte Produktqualität erreicht wird. Darüber hinaus soll auch das Aufwärmen von thermoplastischem Kunststoff oder Kautschuk in Granulatform ermög- licht werden.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zum Behandeln von Pulver oder Granulat eines thermoplastischen Kunststoffs oder eines Kautschuks der teilkristallin oder amorph ist und der durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld erwärmbar ist, in einer Schneckenmaschine, wobei das Pulver oder Granulat des thermoplastischen Kunststoffs oder des Kautschuks vor der Zuführung zur Schneckenmaschine auf eine Temperatur unterhalb der Kristal- litschmelztemperatur bei teilkristallinen Kunststoffen oder Kautschuken und unterhalb des Schmelzbereiches bei thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuken vorgewärmt, in der Schneckenmaschine aufgeschmolzen und homogenisiert und anschließend durch eine Extrusionsdüse gepresst, granuliert oder zu Formteilen verarbeitet wird, das dadurch ge-

kennzeichnet ist, dass die Vorwärm ung des thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks mittels eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes erfolgt.

Es wurde gefunden, dass es möglich ist, thermoplastische Kunststoffe oder Kautschuke sehr gleichmäßig mittels eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes aufzuwärmen. Hierfür ist es Voraussetzung, dass der thermoplastische Kunststoff oder Kautschuk durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar ist. Hierzu zählen insbesondere solche, die polare Strukturen, das heißt ein Dipolmoment größer als 0, aufweisen. Es kann sich zum Beispiel um einzelne chemische Struktureinheiten des thermoplastischen Kunst- Stoffs oder Kautschuks handeln, beispielsweise CH ₂ O-Einheiten in Polyoxymethylenen.

Durch die polaren Strukturen ist eine Polarisationserwärmung des Pulvers oder Granulats durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld, insbesondere durch Mikrowellenstrahlung möglich. Weitere mögliche Erwärmungsmechanismen für das Pulver oder Granulat sind eine elektrische Widerstandserwärmung, Erwärmung durch Maxwell-Wagner Effekt oder Elektronen-Polarisation.

Zu den Thermoplasten mit polaren Strukturen, die direkt in einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmbar sind, zählen z.B. Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PU), Polyo- xymethylen (POM), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethersulfon (PES), Poly-n- Butylmethacrylat (PBMA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimide oder Styrolacrylnitril (SAN). Kautschuke mit polaren Strukturen sind insbesondere Chloropren-Kautschuk, Ethy- len-Acrylester-Kautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk, chlorosulfonierter Polyethylen- Kautschuk, chlorierter Polyethylen-Kautschuk, Acrylat-Kautschuk, Fluor-Kautschuk, Sauerstoff-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk.

Ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld ist in diesem Zusammenhang jedes für die dielektrische Erwärmung eines Pulvers oder Granulats geeignete elektromagnetische Feld. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete elektromagnetische Hochfrequenzfeld weist vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 900 GHz auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Hochfrequenzfeld eine Frequenz im Bereich von 0,3 bis 300 GHz auf. Es handelt sich dabei um Mikrowellenstrahlung, die zur Vorwärmung bevorzugt zum Einsatz kommt. Mikrowellenstrahlung findet im Stand der Technik zum Beispiel Anwendung zum Mikrowellenschweißen von Polymeren, zum Thermoformen von Polymerteilen oder zum Heißziehen von Polymersträngen, -stäben oder -fasern. Solche Anwendungen werden zum Beispiel in H. Potente et al., „Erwärmbarkeit von Kunststoffen im Mikrowellenfeld - Untersuchungen zum Mikrowellenschweißen", Schweißen und Schneiden 55 (1 1 ), 616 bis 623 (2003); M. Chen et al., „Basic Ideas of Microwave Processing of Polymers" Polymer Engineering and Science, 33 (17)

1092 bis 1 109 (1993); Y. Takeuchi, "Morphological changes of wide polyoxymethylene rod during a microwave heating drawing process", Polymer, 26 (13) 1929 bis 1934 (1985) oder in EP 0 084 274 B1 oder DE 197 18 505 A1 offenbart.

Die DE 10 2005 032 700.1 beschreibt die Verwendung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes zum Abbau von Spannungen im Pulver oder Granulat aus einer Polymerschmelze.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Pulver oder Granulat bei der Nachbehandlung kontinuierlich durch Eintrag von Mikrowellenstrahlung vorgewärmt. Geeignete Mikrowellenheizvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann für das erfindungsgemäße Verfahren eine Mikrowellenheizvor- richtung mit variabler Frequenz verwendet werden, wie sie in dem Dokument EP 0 801 879 B1 beschrieben ist.

Die Ausgestaltung und der Betrieb der Mikrowellenquellen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise auf die Materialeigenschaften sowie auf die Form des thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks abgestimmt. Zur Vermeidung lokaler ü- berhitzungen kann der Leistungseintrag verteilt über mehrere Mikrowellengeräte erfolgen, gegebenenfalls auch durch taktweises Ein- und Ausschalten derselben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Mikrowellenquelle ein runder Hohlleiter verwendet, der das Pulver oder Granulat konzentrisch umgibt. Hierbei ist eine besonders günstige Verteilung des Mikrowellenfeldes gegeben, die zu einer besonders gleichförmigen Erwärmung führt.

Vorzugsweise wird durch das Hochfrequenzfeld eine Wärmeleistung in das Pulver oder Granulat eingebracht, die mittels eines berührungsfreien Sensors geregelt wird, der Eigenschaftsänderungen des Pulvers oder Granulats während der Vorwärmung erfasst. Solche Eigenschaftsänderungen, die durch den Sensor erfasst werden können, sind zum Beispiel änderungen der Temperatur oder des Brechungsindizes des Pulver oder Granulats.

Die Einstrahlungsdichte des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes kann während der Vorwärmung des Pulvers oder Granulats konstant sein oder zeitabhängig gesteuert wer- den (zum Beispiel stufenförmig, sinusförmig oder linear ansteigend bzw. abfallend).

Die Symmetrie des Hochfrequenzfeldes kann an die Geometrie des Pulvers oder Granulats angepasst werden. Das Pulver oder Granulat passiert das elektromagnetische Hochfrequenzfeld bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise kontinuierlich. Bevorzugt

wird das Hochfrequenzfeld so ausgelegt, dass eine möglichst homogene Erwärmung des Pulver oder Granulats im Hochfrequenzfeld erfolgt.

Die Vorwärmung des Pulvers oder Granulats des thermoplastischen Kunststoffs oder Kau- tschuks erfolgt vorteilhaft auf eine Temperatur im Bereich von 5 bis 30 K unterhalb der Kristallitschmelztemperatur bei teilkristallinen Kunststoffen oder Kautschuken und unterhalb des Schmelzbereiches bei amorphen thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuken. Besonders bevorzugt liegt die Obergrenze der Vorwärmungstemperatur im Bereich von 10 bis 20 K unterhalb der Kristallitschmelztemperatur bei teilkristallinen Kunststoffen oder Kautschuken und unterhalb des Schmelzbereiches bei amorphen thermoplastischen Kunststoffen oder Kautschuken.

In Verfahren zum Behandeln von Pulver oder Granulat eines thermoplastischen Kunststoffs oder Kautschuks werden der Schneckenmaschine häufig zusätzlich Füll- oder Verstär- kungsstoffe zugeführt. Vorteilhaft können auch dieselben, vor ihrer Zuführung zur Schmelzmaschine in einem elektromagnetischen Hochfrequenfeld, insbesondere mittels Mikrowellenstrahlung, vorgewärmt werden. Bezüglich der Obergrenze der Temperatur, die hierbei einzuhalten ist, ist insbesondere zu beachten, dass die vorgewärmten Füll- oder Verstärkungsstoffe den thermoplastischen Kunststoff oder Kautschuk in der Schmelzma- schine nicht schädigen oder selbst geschädigt werden.

Das der Schneckenmaschine in Form von Pulver oder Granulat zugeführte Material eines thermoplastischen Kunststoffes oder eines Kautschuks wird in der Schneckenmaschine aufgeschmolzen und homogenisiert und anschließend durch eine Extrusionsdüse gepresst und granuliert oder aber durch eine Extrusionsdüse gepresst und zu einem Formteil verarbeitet. Als Formteil wird in bekannter Weise ein Halbzeug, beispielsweise ein Rohr, Schlauch oder Kunststoffprofil oder ein Fertigteil bezeichnet.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist die Schneckenmaschine bevorzugt ein Extruder.

Der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte thermoplastische Kunststoff ist bevorzugt Polyoxymethylen, ein Polyamid oder ein Polyester.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt eine Vielzahl von Vorteilen. Die Vorwärmung im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erfordert einen geringen Zeitaufwand und Energieverbrauch, da die Wärmeenergie sofort im Inneren des Pulvers oder Granulats mittels des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes erzeugt wird. Der Energieeintrag kann gezielt gesteuert werden, zum Beispiel indem die Anzahl und die Leistung von Mikrowellenquellen variiert wird. Die Quellen können dabei so positioniert werden, dass die Energie möglichst gleichmäßig in das Pulver oder Granulat eingetragen wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden thermisch homogene Schmelzen erreicht; sie zeigen ein gleichförmigeres Fließverhalten, das sich insbesondere bei der Durchströmung von Granulierlochplatten als vorteilhaft erweist, mit der Folge einer gleichmäßigeren Form und einer engeren Größenverteilung des als Produkt erhaltenen Granulates.