Statische Mischer für eine homogenere Schmelze

Distributiv und dispersiv

Statische Mischer werden in der kunststoffverarbeitenden Industrie schon seit längerer Zeit zur Verbesserung der Qualität der Schmelze eingesetzt. Dabei wird der Mischer, allein oder in Verbindung mit einem Filter, in die Spritzgießmaschine oder in den Extruder eingebaut. Da die Geräte inzwischen sowohl distributiv als auch dispersiv mischen, können sie einen Teil des vorhergehenden dynamischen Mischens der Plastifizierschnecke übernehmen.


Statikmischer MSM

Viele Extrudier- und Spritzgießprobleme wie schlechte Einfärbung, schlechte Oberflächenstruktur, ungleichmäßige Wanddicke oder ungenügende Formstabilität sind auf eine unzureichende Homogenität der Schmelze zurückzuführen. Ursachen hierfür sind beispielsweise radiale Temperaturunterschiede und/oder eine ungleichmäßige Farb- und Additivverteilung. Mit einem statischen Mischer lassen sich die Probleme in den meisten Fällen deutlich verringern oder sogar beheben. Eine weitere Folge können Kostensenkungen sein, weil die Dosierung des Farbmasterbatches reduziert oder der Anteil des Recyclingmaterials erhöht werden kann. Wenn das Basismaterial stark verunreinigt ist, zum Beispiel bei der Verarbeitung von Recyclingmaterial, ist der Einsatz eines zusätzlichen Filters erforderlich. Solche Filter werden häufig auch zum Schutz von Heißkanälen in Mehrfach-Gussformen angewendet.
Statische Mischer haben im Prinzip keine beweglichen Teile. Die Mischleistung wird komplett durch die durchströmende Masse erzielt, wobei stets ein relativ kleiner Druckabfall im Mischkörper entsteht. Die Funktionsweise der Geräte basiert auf der Aufteilung von Haupt- in Teilströmungen, wobei die Teilströmungen geometrisch zueinander verteilt und anschließend wieder zusammengefügt werden. Dieses Mischprinzip ist ein rein distributiver Mechanismus, entsprechend sind solche statischen Mischer einzuteilen nach der Anzahl der Schichten, die sie in den Prozessstrom einführen können. Deshalb werden statische Mischer auch "interfacial surface generators" genannt.
Die Anwendung eines Statikmischers ist ein Weg, um bestimmte Unzulänglichkeiten teilweise auszugleichen oder die Grenzen der Produktionsmaschinen zu verlegen. Dabei ist es wünschenswert, dass der statische Mischer - als Verlängerung der Plastifizierschnecke- nicht nur distributiv, sondern auch dispersiv mischen kann. Eine Randbedingung dabei ist aber, dass die übrigen Materialeigenschaften unverändert bleiben. Es darf also keine Verschlechterung des Materials auftreten. Dies stellt große Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Mischers.
Von besonderer Bedeutung ist dispersives Mischen bei Kunststoffen, die relativ hohe Viskositätsunterschiede aufweisen, oder beim Einfärben mit Masterbatches. Der Grund: Die Pigmentagglomerate im Masterbatch müssen ausreichend zerkleinert werden, dazu müssen wiederum die Agglomerate ausreichend oft kurzfristig eine kontrollierte hohe Abscherung erhalten. Das Mischen von Kunststoffen mit einem relativ hohen Viskositätsunterschied muss ähnlich erfolgen. Hierbei ist der eine Kunststoff quasi als Tropfen in der Matrix des anderen Kunststoffs zu sehen, der ebenfalls weiter zerkleinert werden muss. Bekannt ist, dass eine Dehnungsströmung eine relativ große Abscherung ermöglicht. Die Einführung einer Dehnungsströmung in den statischen Mischer erhöht somit in hohem Maße seine dispersive Mischkapazität. Dazu wird in dem Mischer regelmäßig eine Anzahl Verengungen angebracht. Bei gleicher Durchströmung bedeutet dies, dass in einer solchen Verengung ständig eine kurze Geschwindigkeitszunahme entsteht - die Strömung wird sozusagen gedehnt.

Modularer Aufbau

Das Prinzip des neu entwickelten MSM (Mercatel Static Mixer) basiert auf einem regelmäßigen und systematischen Aufbau mehrschichtiger kugelförmiger Mischelemente. Die Anzahl der Teilströme wird bestimmt von der Anzahl der Mischelemente pro Schicht. Durch die Kugelform wird der eintreffende Schmelzstrom zuerst rundherum verteilt und danach in Teilströme geteilt, um die Schicht passieren zu können. Hierbei wird jeder Teilstrom wieder mit anderen Teilströmen kombiniert. Die Anzahl der Mischelemente pro Schicht und die Gesamtzahl der Schichten bestimmen also das Maß der distributiven Mischung. Um Kurzschlussströmungen an der Wand zu vermeiden und die richtige Orientierung der Mischelemente zu sichern, werden Hilfsringe eingesetzt. Außerdem wurden Maßnahmen getroffen, um zu vermeiden, dass die Mischelemente die Austrittsöffnungen verschließen. Durch die richtige Auswahl des Durchmessers und der Oberflächenrauhigkeit lässt sich die Intensität der Dehnungsströmung und damit das Ausmaß der Abschiebung festlegen. In Verbindung mit der Anzahl der Schichten wird somit das Maß der dispersiven Mischung bestimmt.


Der MSM basiert auf einem regelmäßigen und systematischen Aufbau mehrschichtiger kugelförmiger Mischelemente (Bilder: Mercatel)

Der Standard-MSM-Mischer wurde für die gängigsten Kunststoffe, Masterbatches und Additive wie Mineralien, Stabilisatoren und sonstige Zusätze gefertigt. In bestimmten Fällen wird die Mischfüllung neu berechnet. Der Mischer eignet sich besonders für spezielle Verarbeitungsziele. Mit einem progressiven Mischer, der auf unterschiedlichen Mischfüllungen basiert, lassen sich zum Beispiel Veränderungen in der Viskosität kompensieren. Auch kann zum Beispiel eine hohe Abschiebung angewandt werden, um eine Temperatursteigerung zu erzeugen. Das erlaubt einerseits eine Plastifizierung mit einer niedrigeren Temperatur, andererseits kann das Polymer dennoch mit einer höheren Temperatur eingespritzt werden. Für die Blasextrusion zur Herstellung von Hohlkörpern wurde eine Ausführung mit nur einem Ausgang entwickelt. Das Standardgehäuse für den statischen Mischer bietet auch Platz für einen dazu passenden Filter. Wenn kein Filter erwünscht oder benötigt wird, kann der unbenutzte Raum ohne großen Aufwand mit einem passenden Leerrohr gefüllt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des MSM besteht darin, sowohl die Verteilung als auch die Intensität der distributiven und dispersiven Mischwirkung an den Materialstrom anzupassen. Der statische Mischer ist - unabhängig von Größe und Volumendurchsatz - grundsätzlich für jede Spritzgießmaschine und jeden Extruder geeignet. Außer zum Einfärben oder Blenden ist er auch für alle anderen Zusätze wie Treibmittel, Stabilisatoren, antistatische Lösungs- und Füllmittel ausgelegt. Durch den modularen Aufbau können Misch- oder Filterelemente kombiniert und ausgewechselt werden.

J. Düring, G.F. Greutink und W.H. Vonderhorst, Mercatel Groep BV, Enschede

Mercatel Groep BV
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