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.
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 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