Einfluss der Oberflächenrauigkeit sowie der Granulatform und -größe auf das tribologische Verhalten von Kunststoffgranulaten in Schneckenplastifiziereinheiten

Kunststoffe werden überwiegend mittels Extrusion, Spritzgießen und Blasformen zu Produkten wie z.B. Folien, Platten, Rohren, Profilen, Bauteilen und Hohlkörpern verarbeitet. Bei diesen Verfahren werden sogenannte Extruder bzw. Schneckenplastifiziereinheiten eingesetzt, mit denen der Kunststoffrohstoff gefördert, verdichtet und aufgeschmolzen sowie die Kunststoffschmelze homogenisiert wird. Die Schneckenplastifiziereinheit wird in eine Feststoffförderzone (Feststoff), eine Aufschmelzzone (Feststoff und Schmelze) und eine Meteringzone (Schmelze) unterteilt. In der Feststoffförderzone werden der Druckaufbau, der Massedurchsatz und die Temperaturentwicklung im Wesentlichen von den dort herrschenden tribologischen Bedingungen bestimmt. Bei Kunststoffgranulaten werden der innere und der äußere Reibungskoeffizient unterschieden. Der innere Reibungskoeffizient beschreibt die Reibung der Kunststoffgranulatkörner untereinander. Vom äußeren Reibungskoeffizienten wird gesprochen, wenn Kunststoffgranulat auf der Schnecken- bzw. der Zylinderoberfläche reibt. Der äußere Reibungskoeffizient sollte sehr gering an der Schneckenoberfläche und hoch an der Zylinderoberfläche sein, um die sogenannte „Mutter-Spindel-Förderung“ zu bewirken und einen ausreichenden Druckaufbau zu gewährleisten. Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung des Einflusses der Kunststoffstoffgranulatform und -größe sowie der Rauigkeit der Schnecken- bzw. Zylinderoberfläche auf den äußeren Reibungskoeffizienten verschiedener Kunststoffgranulate. Zur Ermittlung des Einfluss der Oberflächenrauigkeit wurde der äußere Reibungskoeffizient verschiedener Kunststoffgranulate gemessen. Die untersuchten Kunststoffgranulate waren Polyethylen High Density (PE-HD), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA). In Abhängigkeit von der Polarität der untersuchten Kunststoffgranulate sowie von Geschwindigkeit und Druck konnte, sowohl eine Zunahme als auch eine Abnahme des äußeren Reibungskoeffizienten mit steigender Rauigkeit der metallischen Oberfläche beobachtet werden. Um den Einfluss der Kunststoffgranulatform und -größe auf den äußeren Reibungskoeffizienten zu untersuchen, wurde eine virgin-PP und zwei compoundierte PP-Typen (zylinderförmig, kurz und zylinderförmig, lang) gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass der äußere Reibungskoeffizient des langen zylinderförmigen PP-Granulats immer höher im Vergleich zu dem kurzen zylinderförmigen und dem virgin PP-Granulat ist. In der industriellen Praxis werden Schnecken für Extruder und Spritzgießmaschinen hochglanzpoliert, um eine niedrige Reibung zu erreichen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass das aber nicht immer für eine optimale Förderung hilfreich und erheblich vom verarbeiteten Polymerwerkstoff abhängig ist. Je nach verwendeter Produktionsanlage und Granulierung können Kunststoffrohstoffe vom Hersteller in unterschiedlicher Granulatform und -größe geliefert werden. Diese Chargenschwankungen bewirken Unterschiede im gemessenen äußeren Reibungskoeffizienten und können in weiterer Folge zu Schwankungen im Einzugs- und Förderverhalten an den Verarbeitungsanlagen führen.