Filtriersysteme als statischer Mischer bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen Dr.-Ing. Axel Hannemann Gneuß Kunststofftechnik GmbH

Inhalt:

1. Aufgabe von Filtern in der Kunststoffverarbeitung
2. Statische Mischer in der Kunststoffverarbeitung
3. Homogenisieren mit Siebelementen
   Mischwirkung von Filterelementen
   Dispergierwirkung in Filtern
4. Filtrationsvorrichtung für statische Mischsiebe RSFgenius
5. Fazit
6. Literaturverzeichnis

1. Aufgabe von Filtern in der Kunststoffverarbeitung

Polymerschmelzen und -lösungen enthalten Fremdpartikeln mit unterschiedlicher Größe und Form durch Katalysatorbruch, Kontamination, Abrieb an bewegten Teilen, Ablösung verbrannter Ablagerungen zwischen Extruderschnecke und -zylinder, Korrosionswirkung, verschmutztes Recyclingmaterial usw. [1, 2] Ferner findet man übergroße Partikeln und Agglomerate in Zuschlag- und Verstärkungsstoffen, nicht vollständig aufgeschmolzene Granulate sowie Inhomogenitäten der Schmelze in Form von deformierbaren, höherviskosen Gelen. Diese Fremd- und Störstoffe sollten aus der Polymerschmelze ausgetragen oder zerstört werden, da sie

• die Festigkeit bei Fasern und Folien, aber auch anderer Formteile, vermindern
• die Dichtigkeit bei Folien aufheben
• die Überschlagsicherung bei ummantelten elektrischen Formteilen reduzieren
• die Oberflächenrauhigkeiten bei Beschichtungen und Formteilen erhöhen
• den Farbeindruck von Formteilen verändern
• die Fehlerrate bei Filmen beeinflussen
• die Alterung eines Formteils bei reaktiven Komponenten beschleunigen
• die Güte des Bauteils ganz allgemein beeinflussen
• Düsen zusetzen und z. B. Zahnradpumpen gefährden.

Filtermedien
Unter Filtrieren versteht man in der Verfahrens- und Kunststofftechnik das Abtrennen von festen oder flüssigen Teilchen aus Fluiden mit Hilfe eines Filtermittels. Als Filtermittel dienen Spaltfilter, verschiedenartige Gewebefilter, Vliese, lose Schüttungen, gesinterte Massenfilter und Membranen.

Bild 1 zeigt einige Beispiele und typische Einsatzgebiete bei der Polymerschmelze-Filtration.

Spaltfilter, Oberflächenfilter, Feinheit 50-300µm, Niederviskose Flüssigkeiten,	Quadratmaschengewebe Oberflächenfilter, Feinheit 50- 250µm, regenerierbar	Tressengewebe, Oberflächenfilter, Feinheit 3-160µm, regenerierbar
Fixiertes Metallfaservlies, Tiefenfilter, Feinheit 1-60µm, nicht regenerierbar	Lose und gesinterte Schüttgutfilter, Tiefenfilter, Feinheit xA > 5µm, bedingt regenerierbar	Membranfilter, Feinheit 0,01-1µm, nicht regenerierbar, niederviskose Flüssigkeiten

Wegen der besonderen Anforderungen an Temperatur, Korrosion und Festigkeit finden vorwiegend Edelstahl-Filter Anwendung. Bei Spalfiltern (Bild 1 a) durchströmt das Filtrat häufig die Spaltrohr-Filterelemente von innen nach außen. Dabei setzen sich die Partikeln an der glatten, engen Innenwand ab. Der Kanal wird stromabwärts breiter, so dass ein Verklemmen der Teilchen erschwert wird. Mit zunehmender Verschmutzung steigt der Druck an. Erreicht der Differenzdruck eine bestimmte Höhe, so lässt sich ein Rückspülvorgang von außen nach innen einleiten. Sind mehrere Spaltrohre als Kerzen in einem Behälter angeordnet, so kann über ein Schwenkrohr nacheinander eine Spülung mit Schmutzaustrag erfolgen, ohne dass der Schmelzefluss unterbrochen wird. Hier ist jedoch, wie bei allen Zwei- oder Mehrkammersystemen mit einem deutlichen Differenzdruckvariation zwischen der Umschalt- und der Betriebsphase zu rechnen, welches den Produktionsprozess sehr oft zum Erliegen kommen lässt, zumindest aber nicht hinnehmbare Qualitätseinbußen zur Folge hat.

Bild 1 b zeigt eine glatte Leinwandbindung und (c) ein Tressegewebe. Je nach Ausführung des Gewebes können die Festigkeit und in gewissem Maße auch die Schmutzaufnahmekapazität verändert werden. Für viele Anwendungsfälle ist es das preisgünstigste und ausreichende Filtermedium. Beim einfachen Quadratmaschengewebe können längliche Teile ungehindert durchwandern, ebenso die sich verformenden Gele. Die frei wirksame Durchtrittsfläche A_F ergibt sich aus dem Drahtdurchmesser d und der Maschenweite w zu

Da d durch die Festigkeit vorgegeben ist, wird bei kleinem w die freie Fläche A_F ebenfalls klein, der Druckabfall hoch und die Schmutzaufnahmekapazität gering. Aus diesem Grund werden bei feineren Weiten und höheren Qualitätsansprüchen Tressen und Spezialtressen (Breitmaschen, Köper oder Panzertressen) eingesetzt. [3]

Metallfaservliese in Bild 1 d bestehen aus einer Vielzahl dünner Edelstahlfasern, die, um eine Verschiebung zu verhindern und die Stabilität zu erhöhen, an den Berührungsstellen durch Sinterung fest verbunden sind. Es lässt sich ein hochporöses Filtermittel herstellen mit einer hohen Schmutzaufnahmekapazität. Die Schmutzpartikeln lagern sich vorwiegend nicht auf der Oberfläche ab, sondern im Inneren, deshalb spricht man von Tiefenfiltration. Vliese lassen sich auch leicht sternförmig falten, so dass sich bei Kerzenfiltern die Filterfläche dadurch
vergrößern lässt. Problematisch ist dann allerdings die Biegekante, da hier, wie bei allen Geweben, die Filterfeinheit nicht mehr garantiert werden kann und es häufig sogar zu Durchbrüchen im Gewebe kommt. Gerade bei den sehr teuren Kerzen werden diese, um Kosten zu sparen, regeneriert, die mechanische Belastbarkeit wird durch das Ausbrennen reduziert und es kommt auch hier häufig zu Brüchen des Gewebes.

Bei der Filtration mit Metallgeweben und -vliesen verwendet man oft einen mehrlagigen Verbund, wie dies in Bild 2 dargestellt ist. Solche Systeme sind weit verbreitet in herkömmlichen Siebwechslern, in Spezialkonstruktionen sowie in Kerzen- und Scheibenfiltern nach Bild 3. Bei großflächigen Scheibenfiltern ist die Strömungsgeschwindigkeit gering und bei geringen Drücken lassen sich auch weiche Teile wie Gele abscheiden. Problematisch ist hier jedoch aufgrund des großvolumigen Filterapparatvolumens die Verweilzeit des Polymers unter Temperatur, so dass Gele hierdurch erst gebildet werden.

Gesinterte Schüttgut-Filter nach Bild 1 e bestehen häufig aus kugelförmigen Partikeln und haben manchmal oben gröbere und unten feinere Teilchen. Der Porenkanal windet sich um die Festkörper, er hat unterschiedliche Dicke und ungefähr eine Größe von dp ≈ 0,1 x. Die feinen Fremdstoffe setzen sich im Inneren ab, so dass man häufig von einer “Tiefenfiltration“ spricht. Gröbere Schmutzpartikeln lagern als Kuchen auf der Oberfläche. Eine Regeneration ist durch Ausbrennen nur teilweise möglich. Bei der Spinnfaser-Erzeugung setzt man auch lose Sandschüttungen mit Partikelgrößen je nach Anforderungen zwischen 50 – 700 µm, Betthöhen L zwischen 10 –30 mm und Porositäten mit ε ≈ 0,4 ein. Zur Erzeugung einer höheren Porosität mit ε ≈ 0,6 –0,7 finden auch sperrige Metallpartikeln ihre Anwendung. [7] Bei diesem Einsatzfall allerdings dient der Schüttgutfilter nicht als Filter, da ein Wechsel einen großen Produktionsverlust bedeutet, sondern wird im wesentlichen als Homogenisator und Druckverteiler eingesetzt. Hier wird ein Zentralfilter vorgeschaltet. Membranen nach Bild 1 f erfordern niedrigviskose Medien, damit der Druckabfall in den kleinen Poren und dünnen Filterschichten (cut off) nicht zu groß wird. Die Membranen sind mehrschichtig aufgebaut, um die eigentliche Filterschicht abzustützen.

Bild 2: Beispiel für ein Siebpaket mit 5 Lagen

Bild 3: Großflächenfilter: Kerzen- [4] und Discfilter [5] [6]