Einführung in Polymerverarbeitungshilfsmittel (PPA) und Masterbatches

1. Einführung in Polymerverarbeitungshilfsmittel (PPA) und Masterbatches

Hinsichtlich der Dosierung werden die PPA-Konzentrationen üblicherweise zwischen 150 und 1500 ppm (Gew.-%) kontrolliert, wobei ein Höchstwert von 2000 ppm nicht überschritten werden darf. Um eine gleichmäßige Verteilung und volle Wirksamkeit zu gewährleisten, wird im Allgemeinen die Verwendung eines Masterbatches mit 2 bis 3 % PPA empfohlen.

2. Funktionsprinzip des PPA

In der gängigen industriellen Praxis in Europa und Amerika werden fluorpolymerhaltige Verarbeitungshilfsmittel häufig eingesetzt, um die Polymereigenschaften zu verbessern. Werden diese Fluorpolymeradditive der Schmelze im Extruder beigemischt, wandern sie aufgrund der Oberflächenspannung zur Schmelzoberfläche und haften an den Metalloberflächen des Extruders, wodurch ein Schmierfilm entsteht (siehe Abbildung 1).

[Abbildung 1: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips von Fluorpolymer-Verarbeitungshilfsmitteln]

Dieser Schmierfilm ist dynamisch: Er wird ständig abgetragen und gleichzeitig erneuert. Um die kontinuierliche Bildung dieses Schmierfilms auf der Metalloberfläche des Extruderkopfes zu gewährleisten, muss ein Mindestgehalt an Additiv eingehalten werden.

3. Anwendungen und Auswirkungen von PPA in der Kunststoffverarbeitung

3.1 Verbesserung der Leistung bei der Kunststoffextrusion

PPA kann Ablagerungen an der Düse effektiv reduzieren oder verhindern, wodurch Wartungsstillstandszeiten verkürzt werden. Es eignet sich für die Verarbeitung verschiedener Kunststoffe wie PE, PP, PEX, PA, PS und PET. Zudem senkt es den Extrusionsdruck, ermöglicht engere Düsenspalte und niedrigere Betriebstemperaturen und spart somit Energie. Darüber hinaus trägt PPA zur Verbesserung der thermischen Stabilität von Kunststoffen bei.

[Abbildung 4: Vergleich zwischen ohne PPA und mit PPA]

Links: Ohne PPA (Standardleistung) | Rechts: Mit PPA (Verbesserte Klarheit/Effizienz)

Abbildung 4 zeigt die entscheidende Rolle von PPA bei der Herstellung verschiedenfarbiger Filme, wodurch schnelle Farbwechsel ohne aufwändige Gerätereinigung möglich sind.

3.2 Rolle der PPA bei der Verbesserung der Extrusionsproduktqualität

PPA reduziert effektiv die Gelbildung und gewährleistet eine hervorragende Produktgleichmäßigkeit, wodurch die Qualität – insbesondere bei der Verarbeitung von PE, PP, PEX und Farbmasterbatches – deutlich gesteigert wird. Darüber hinaus verhindert PPA Schmelzbruch und daraus resultierende Oberflächenfehler wie z. B. Haifischhaut, wodurch die Schlagfestigkeit und der Oberflächenglanz der Produkte erhöht werden (siehe Abbildung 5). Es sorgt außerdem für eine gleichmäßige Produktdicke, was insbesondere bei der Verarbeitung von Mehrschicht-Coextrusionsfolien von großem Vorteil ist. PPA zeichnet sich zudem durch seine hervorragende Pigmentdispersion aus und dient als effektives Dispergiermittel, das für leuchtendere, gleichmäßigere Farben und deutlich schnellere Farbwechselgeschwindigkeiten sorgt.

[Abbildung 5: Vergleich des Schmelzbruchs (mit vs. ohne PPA)]

Links: Mit PPA (glatte Oberfläche) | Rechts: Ohne PPA (Haifischhaut-/Schmelzbruch vorhanden)

3.3 Rolle der PPA bei der Erweiterung der Rohstoffauswahl

Durch den Einsatz von PPA lassen sich Polymere mit niedrigeren Schmelzindizes (z. B. MI

3.4 Durchsatzsteigerung

PPA kann den Extrusionsdurchsatz erhöhen und zeigt signifikante Effekte bei der Verarbeitung von Polymeren wie PE, PP, PEX, PA und PS.

3.5 Einhaltung gesetzlicher Vorschriften

4. Anwendbare Verarbeitungstechniken umfassen:

• Blasfolienverfahren
• Cast Filmproduktion
• Hohlblasformung
• Rohr-/Schlauchextrusion
• Faserziehen
• Draht- und Kabelextrusion
• Profilextrusion

4.1 Anmerkungen zu den PPA-Zusatzmethoden:

1. Es ist sicherzustellen, dass die PPA-Partikel gleichmäßig in der Polymerschmelze dispergiert sind; die Partikelgröße sollte unter 2 Mikrometern liegen.
2. Zur Herstellung eines 2-3%igen Masterbatches aus PPA, um eine gleichmäßige Dispersion zu gewährleisten, werden üblicherweise spezielle Geräte und Produktformeln verwendet.
3. Beim Mischen von Harzen mit niedrigem MI-Wert mit PPA-Masterbatch sollte die PPA-Konzentration ausgehend von 1000 ppm schrittweise verringert werden, um den optimalen Gehalt zu ermitteln.
4. Um das dynamische Gleichgewicht der PPA-Schmierschicht an der Düsenwand aufrechtzuerhalten, muss der PPA-Gehalt im verarbeiteten Harz über einem Mindestwert liegen.
5. Bei der Beschichtung der Form ist Geduld hinsichtlich der „Migrationszeit“ erforderlich; diese Zeit wird von der PPA-Konzentration, der Materialflussrate, dem Zustand der Anlage und der Rheologie des Harzes beeinflusst.
6. Vor der Erprobung von PPA muss die Produktionslinie gründlich gereinigt werden, um sicherzustellen, dass keine Polymerablagerungen oder Verunreinigungen die Ergebnisse beeinträchtigen.

4.2 Modellspezifische Anwendungen:

5. Anwendung von PPA bei der Rohrextrusion

• Verbessert die Oberflächenqualität des Rohres (siehe Abbildung 6).
• Verringert die scheinbare Viskosität, die Scherkraft und den Extrusionsdruck (siehe Abbildungen 7 und 8).
• Erhöht den Durchsatz: Unter identischen Druckbedingungen erhöht PPA die Leistung und erzielt so Energieeinsparungen (siehe Abbildungen 9 und 10).
• Verringert/verhindert Werkzeugablagerungen und Schmelzbruch.
• Gewährleistet den Erhalt der physikalischen und mechanischen Eigenschaften (bestätigt durch ASTM D2837 1.000-Stunden- und ISO TR-9080 10.000-Stunden-Tests).

[Abbildung 7/8: Einfluss der PPA auf den Extrusionsdruck]

Y-Achse: Druck (bar) | X-Achse: Zeit (min)

Material 1: Kein PPA | Material 2: 300 ppm PPA (Druckabfall 6 %) | Material 3: 600 ppm PPA (Druckabfall 13 %)

6. Vorteile von PPA bei der PP-Verarbeitung

Reduzierung von Farbstoffablagerungen und Gelen

Materialablagerungen (Spritzmittel) am Düsenaustritt beeinträchtigen die optischen und mechanischen Eigenschaften. PPA verhindert Materialstau an der Düsenmündung. Darüber hinaus reduziert PPA Gelbildung, die durch Gerätefehler („tote Ecken“) oder thermische Zersetzung entsteht, indem es ein dynamisches Gleichgewicht an der Düsenwand aufrechterhält und so die Stagnation verhindert, die zu Vernetzung und oxidativen Gelen führt.

Umgang mit Interferenzen durch andere Zusatzstoffe

Andere Additive können die PPA durch Abkratzen, Adsorption oder Konkurrenz um die Düsenwand beeinträchtigen.

• Stabilisatoren: Hindered Amine Light Stabilizers (HALS) like Chimassorb® 944 are high interfereness, especially at high temperatures.
• Säuresalze: Antikorrosionsmittel wie Hydrotalcit (HT) oder Calciumstearat (CaSt) können die Adsorption an der Düsenwand beeinträchtigen.
• Antiblockierungsmittel: Synthetische Kieselsäuren und Talkum können PPA aufgrund ihrer großen Oberfläche adsorbieren.
• TiO2: Unbeschichtetes TiO2 weist im Vergleich zu beschichteten Varianten eine höhere Interferenz aufgrund von Adsorption und Abrieb auf.