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Projektbeschreibung:

Es werden weltweit jährlich über 25.000.000 Tonnen Kautschuk verarbeitet. Dabei ist die Extrusionstechnik das mengenmäßig dominierende Verfahren, mit welchem quasi-endlos Produkte wie Laufstreifen, Kabelummantelungen, Schläuche und Ähnliches hergestellt werden können. In der Kautschukextrusion hat insbesondere die thermische Prozessführung großen Einfluss auf den Anlagendurchsatz, auf die Extrudatqualität und -eigenschaften sowie auf die Energieeffizienz der gesamten Anlage. Dabei sind vor allem ein stabiler Extrusionsprozess und eine hinreichende thermische Homogenität im Extrudat für gute Endprodukteigenschaften unabdinglich und beeinflussen maßgeblich den anschließenden Vulkanisationsprozess.
Im AiF-Projekt Nr. 17545 N wurden am KTP mit Kooperation des DIK die Möglichkeiten und Grenzen von schnelllaufenden Kautschukextrudern erforscht. Eine Erhöhung der Schneckendrehzahl zur Durchsatzsteigerung ist aufgrund des raschen Erreichens unzulässig hoher Massetemperaturen nur sehr begrenzt möglich. Innerhalb dieses Projektes ist es allerdings durch entsprechende Schneckenauslegung gelungen, die Austrittstemperatur bei hohen Drehzahlen signifikant zu verringern. Somit ist auf einem Kaltfütterextruder mit 60 mm Durchmesser eine Durchsatzsteigerung von bis zu 300 % mit einer Drehzahl von 190 min-1 möglich gewesen. Also stellt die Temperatur nicht mehr das begrenzende Kriterium für signifikante Drehzahlsteigerungen dar. Allerdings birgt eine starke Drehzahlerhöhung die Gefahr von Prozessinstabilitäten, thermischen Inhomogenitäten sowie mangelnder Dispersion und Distribution.

Insgesamt wurden in diesem Projekt Einflüsse auf die Prozessstabilität sowie die thermische und stoffliche Homogenität bei der Hochgeschwindigkeits-Kautschukextrusion untersucht und diese dann durch verschiedene Maßnahmen verbessert. Dazu zählen zum einen die Konzeptionierung und Entwicklung von Schneckengeometrien sowie unterschiedliche Art von Bestiftung und zum anderen der Einsatz von Zylinderbeschichtungen, um das undefinierte Wandgleitverhalten des Kautschuks an der Zylinderoberfläche zu verringern. In ersten Untersuchungen innerhalb des Vorgängerprojektes (Nr. 17545 N) konnte durch den Einsatz von Beschichtungen mit einer Haftwirkung eine Verbesserung der zeitlichen Prozessstabilität erreicht werden, was in diesem Forschungsprojekt deutlich vertieft wurde. Im Wesentlichen wurden in diesem Projekt die folgenden Arbeitsschritte bearbeitet:
•    Auswahl geeigneter Materialien
•    Charakterisierung der Werkstoffe
•    Untersuchung der Abhängigkeiten auf die zeitliche Prozessstabilität im schnelllaufenden Extrusionsprozess (Pulsation/Druckschwankungen, Temperaturschwankungen)
•    Untersuchung der Abhängigkeiten auf die thermische und stoffliche Homogenität im schnelllaufenden Extrusionsprozess  (Temperaturentwicklung im Schneckenkanal und vor der Schneckenspitze, Dispersion & Distribution)
•    Untersuchung des Einflusses des Bestiftungsgrades bei hohen Drehzahlen auf die thermische und stoffliche Homogenität
•    Charakterisierung und Untersuchung des Extrudats hinsichtlich Distribution und Dispersion
•    Konzeption optimierter Schnecken hinsichtlich Prozessstabilität und Homogenität
•    Extrusionsversuche mit optimierten Schnecken
•    Charakterisierung verschiedener Beschichtungen bezüglich einer Haftwirkung (Steigerung der Prozessstabilität)
•    Extrusionsversuche mit beschichtetem Zylinder
•    Untersuchungen zur Energieeffizienz schnelllaufender Extrusionsanlagen

Für die experimentelle Seite des Projektes stand ein schnelllaufender Kautschuk-Kaltfütterextruder (60 mm Durchmesser) zur Verfügung, der über vier Zylinderzonen zur Variation der Extruderlänge verfügt, die bei Bedarf zusätzlich bestiftet werden können. Mithilfe des leistungsstarken Antriebs (Leistung: 89 kW, Max. Drehmoment: 4000 Nm) können Drehzahlen bis zu 200 min-1 erreicht werden. Über ein Temperaturmessschwert konnte das Temperaturprofil über der Kanalhöhe ermittelt werden, welches direkte Rückschlüsse auf die thermische Homogenität zulässt. Die Schnecke sowie die Zylinderzonen können jeweils von 20 bis 120°C temperiert werden. Darüber hinaus wurden die Untersuchungen mit verschiedenen industrietypischen Kautschukmischungen durchgeführt, um Einflüsse der Viskosität, des Ruß- und Ölgehaltes sowie des Kautschuktyps zu eruieren.
Ein weiterer Punkt der thermischen Betrachtung des schnelllaufenden Extrusionsprozesses ist die Energieeffizienz der gesamten Anlage. Es wurde untersucht, wie effizient die Extrusionsanlage bei hohen Schneckendrehzahlen ist und wie diese durch diverse Maßnahmen verbessert werden kann.

Förderer: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderprogramm: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)

Fördernummer:  18487 N / 2

Forschungsvereinigung: Deutsche Kautschuk-Gesellschaft e.V. - DKG

Laufzeit: 01. Juli 2016 bis 31. Juni 2018

Kooperationspartner: Universität Paderborn – Kunststofftechnik Paderborn (KTP)