Untersuchung der einflussgebenden Parameter bei der Compoundierung von cellulosefaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen mittels eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders

Koplin, Tobias

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der einflussgebenden Parameter bei der extrusionstechnischen Herstellung von cellulosefaserverstärkten thermoplastischen Compounds. Die Verarbeitung erfolgt mithilfe eines gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruders. Als Matrixkunststoffe dienen Polypropylen (PP) und Polylactid (PLA). Die hergestellten Compounds sollen im spritzgießtechnischen Bereich verwendet werden. Zunächst erfolgt die Untersuchung der verfahrenstechnischen Faktoren und hierbei die Trennung der einflussgebenden von den irrelevanten Faktoren. Anschließend werden die beeinflussten Faktoren hinsichtlich der Auswirkungen auf die Zielgrößen untersucht. Der Einfluss verschiedener fasermorphologischer Eigenschaften wird ermittelt. Weiterhin wird der Einfluss verschiedener Faserdispergierungszonen auf die Agglomerierung der Cellulosefasern im Compound untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schneckendrehzahl, der Spezifische Füllgrad sowie die Wechselwirkung der beiden Faktoren die einflussgebenden verfahrenstechnischen Parameter sind. Diese beeinflussen maßgeblich die Schmelzetemperatur, den Druck vor der Düse, den Spezifischen Mechanischen Energieeintrag sowie die Farbgebung und die Viskosität der PP‐Cellulosefaser‐Compounds. Bei höherer Cellulosefaser‐Feuchtigkeit findet eine geringere thermische Schädigung der Cellulosefasern statt. Bei den PLA‐Compounds führt eine höhere Feuchtigkeit jedoch zu einer abnehmenden Biegefestigkeit. Die weiteren mechanischen Kennwerte werden nicht beeinträchtigt und ein Molmassen‐Abbau findet nicht statt. Aus diesen Gründen kann auf eine Vortrocknung der Cellulosefasern auch bei PLA, bei ausreichender Entgasung während der Verarbeitung, verzichtet werden. Cellulosefasern mit einer hohen mittleren Länge und einem hohen mittleren L/d‐Verhältnis verbessern die mechanischen Eigenschaften der Compounds. Bei einer mittleren Länge von über 100 μm und einem mittleren L/d‐Verhältnis >5 ist jedoch eine erhöhte Agglomerationsneigung der Cellulosefasern festzustellen, gleichzeitig steigt die Viskosität der Compounds stark an. Die Herkunft und die Verteilung des L/d‐Verhältnisses der Cellulosefasern haben keinen Einfluss auf die Eigenschaften der hergestellten Compounds. Der Vergleich der Matrices zeigt, dass die PP‐Compounds über eine deutlich bessere Anbindung zwischen Faser und Matrix verfügen. In die PLA‐Matrix kann ein höherer Faservolumenanteil bei gleichzeitig höheren Durchsätzen eingearbeitet werden. Die Berechnung der Eigenschaften der PP‐ und PLA‐Cellulosefaser‐Compounds ist mithilfe von teilweise angepassten Modellen möglich. Diese Modelle können auch auf andere PPund PLA‐Fasercompounds übertragen werden.

The objective of this work is to examine the influential parameters for the production of cellulose fibre reinforced thermoplastic compounds made by extrusion technology. The processing is made by a co‐rotating twin screw extruder. Polypropylene (PP) and Polylactide acid (PLA) are the matrix polymers. The manufactured compounds should be used for injection moulding applications. Processing factors are the main target of examinations at first, here the separation of the influencing and irrelevant factors take place. Following this, the influenced factors are examined regarding to their impact on the target values. The influence of different fibremorphological properties is analysed. Furthermore, the influence of several fibre dispersion zones on the agglomeration of the cellulose fibres is investigated. The results show that screw speed, specific degree of filling and the interaction of both factors are the influential process parameters. These factors are relevantly affecting the melt temperature, nozzle pressure, specific mechanical energy input as well as the colouring and viscosity of the PP‐cellulose fibre compounds. A higher moisture content of the cellulose fibres leads to less thermal degradation of the cellulose fibres. In case of the PLA compounds the higher moisture content results in a decrease of flexural strength. The other mechanical properties are not affected and there is no decreasing of molecular weight. For this reasons there is no need for pre‐drying of the cellulose fibres, even when PLA is processed. Of course, there have to be a sufficient degassing during processing. Cellulose fibres with a high average length and a high average aspect ratio improve the mechanical properties of the compounds. At an average length above 100 μm and an average aspect ratio >5 there is a higher tendency for agglomeration of the cellulose fibres. At the same time the viscosity of the compounds is increasing sharply. The origin and the distribution of the aspect ratio of the cellulose fibres have no influence on the properties of the produced compounds. Comparison of the matrices shows, that PP compounds have a significantly better bonding between matrix and fibre. However, in the PLA matrix a higher volumetric fibre load can be incorporated, resulting in higher throughput at the same time. The calculation of the properties of the PP and PLA compounds can be done by using partly adapted mechanical and rheological models. These models can be transferred on other PP and PLA fibre compounds as well.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Koplin, Tobias: Untersuchung der einflussgebenden Parameter bei der Compoundierung von cellulosefaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen mittels eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders. 2015.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export