So wählen Sie den richtigen Pelletierer für Ihre Kunststoff-Pelletiermaschine aus

Pellets sind zwar „nur“ ein Zwischenprodukt, ihre Größe, Form und Konsistenz spielen jedoch bei den nachfolgenden Verarbeitungsvorgängen eine Rolle.
Dies wird umso wichtiger, wenn man die ständig steigenden Anforderungen an Compoundierer berücksichtigt. Egal über welche Ausrüstung sie gerade verfügen, sie scheint nie für die nächste Herausforderung geeignet zu sein. Eine zunehmende Anzahl von Produkten erfordert möglicherweise zusätzliche Kapazitäten. Ein neues Polymer oder Additiv ist möglicherweise zu zäh, weich oder korrosiv für die vorhandene Ausrüstung. Oder vielleicht erfordert die Aufgabe eine andere Pelletform. In solchen Fällen benötigen Compoundierer umfassendes technisches Know-how zur Verarbeitung und eine enge Zusammenarbeit mit ihrem Pelletieranlagenlieferanten.
Der erste Schritt zur Bewältigung solcher Herausforderungen beginnt mit der Auswahl der Ausrüstung. Die gebräuchlichste Klassifizierung von Pelletierverfahren umfasst zwei Kategorien, die sich durch den Zustand des Kunststoffmaterials zum Zeitpunkt des Schneidens unterscheiden:
•Schmelzpelletierung (Heißschnitt): Schmelze, die aus einer Matrize kommt und fast sofort in Pellets geschnitten wird, die durch Flüssigkeit oder Gas transportiert und gekühlt werden;
•Strangpelletierung (Kaltschnitt): Die von einem Düsenkopf kommende Schmelze wird in Stränge umgewandelt, die nach dem Abkühlen und Erstarren in Pellets geschnitten werden.
Variationen dieser Grundprozesse können auf die spezifischen Einsatzstoffe und Produkteigenschaften in der anspruchsvollen Compound-Herstellung zugeschnitten werden. In beiden Fällen können in jeder Prozessphase Zwischenschritte und unterschiedliche Automatisierungsgrade eingebunden werden.
Um die beste Lösung für Ihre Produktionsanforderungen zu finden, beginnen Sie mit der Bewertung des Status Quo und der Definition zukünftiger Anforderungen. Entwickeln Sie eine Fünf-Jahres-Projektion der Materialien und erforderlichen Kapazitäten. Kurzfristige Lösungen erweisen sich sehr oft nach einiger Zeit als teurer und weniger zufriedenstellend. Obwohl fast jede Pelletierungslinie in einem Compounder eine Vielzahl von Produkten verarbeiten muss, kann jedes System nur für einen kleinen Bereich des gesamten Produktportfolios optimiert werden.
Folglich müssen alle anderen Produkte unter Kompromissbedingungen verarbeitet werden.
Die Losgröße wird in Kombination mit der Nennkapazität der Anlage einen sehr starken Einfluss auf den Pelletierungsprozess und die Maschinenauswahl haben. Da es sich bei der Compoundierung eher um kleine Produktionschargen handelt, ist die Flexibilität der Anlagen oft ein großes Problem. Zu den Faktoren gehören der einfache Zugang für Reinigung und Wartung sowie die Möglichkeit, einfach und schnell von einem Produkt zum nächsten zu wechseln. Beim An- und Abfahren des Pelletiersystems sollte möglichst wenig Material verschwendet werden.
Eine Linie mit einem einfachen Wasserbad zur Strangkühlung ist oft die erste Option für Compoundieranlagen. Aufgrund der Anforderungen an Durchsatz, Flexibilität und Grad der Systemintegration kann das individuelle Layout jedoch erheblich variieren. Bei der Stranggranulierung verlassen Polymerstränge den Düsenkopf, werden durch ein Wasserbad transportiert und abgekühlt. Nachdem die Stränge das Wasserbad verlassen haben, wird das Restwasser mittels eines Saugluftmessers von der Oberfläche abgestreift. Die getrockneten und verfestigten Stränge werden zum Granulator transportiert und von der Einzugsstrecke mit konstanter Liniengeschwindigkeit in die Schneidkammer gezogen. Im Pelletierer werden Stränge zwischen einem Rotor und einem Untermesser in etwa zylindrische Pellets geschnitten. Diese können einer Nachbehandlung wie Klassierung, zusätzlicher Kühlung und Trocknung sowie Förderung unterzogen werden.
Wenn eine kontinuierliche Compoundierung erforderlich ist, bei der weniger Produktwechsel erforderlich sind und die Kapazitäten relativ hoch sind, kann eine Automatisierung vorteilhaft sein, um die Kosten zu senken und gleichzeitig die Qualität zu steigern. Eine solche automatische Stranggranulierungslinie kann eine selbststrängende Variante dieses Pelletierertyps nutzen. Diese zeichnet sich durch eine Kühlwasserrutsche und ein perforiertes Förderband aus, die die Kühlwanne und die Verdampfungsleitung ersetzen und für den automatischen Transport in den Pelletierer sorgen.
Einige Polymerverbindungen sind sehr zerbrechlich und brechen leicht. Andere Verbindungen oder einige ihrer Inhaltsstoffe können sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit sein. Für solche Materialien ist der Stranggranulierer mit Bandförderer die beste Lösung. Ein perforiertes Förderband übernimmt die Stränge von der Matrize und befördert sie sanft zum Schneidgerät. Verschiedene Optionen für Kühlwasserspray, Zerstäuber, Druckluft-Venturidüsen, Luftgebläse oder Kombinationen davon sorgen für ein hohes Maß an Flexibilität.

Wann sollte man unter Wasser gehen?
Wenn die bevorzugte Pelletform eher kugelförmig als zylindrisch ist, ist ein Unterwasser-Hot-Face-Cutter die beste Alternative. Mit einem Kapazitätsbereich von etwa 20 lb/h bis zu mehreren Tonnen/h ist dieses System auf alle Materialien mit thermoplastischem Verhalten anwendbar. Im Betrieb wird die Polymerschmelze in einen Ring aus Strängen zerteilt, die durch eine Ringdüse in eine mit Prozesswasser geflutete Schneidkammer fließen. Ein rotierender Schneidkopf im Wasserstrom schneidet die Polymerstränge in Pellets, die sofort aus der Schneidkammer gefördert werden. Die Pellets werden als Brei zum Zentrifugaltrockner transportiert, wo sie durch den Aufprall rotierender Schaufeln vom Wasser getrennt werden. Die trockenen Pellets werden ausgetragen und der Weiterverarbeitung zugeführt. Das Wasser wird gefiltert, temperiert und dem Prozess wieder zugeführt.
Die Hauptkomponenten des Systems – Schneidkopf mit Schneidkammer, Matrizenplatte und Startventil, alle auf einem gemeinsamen Tragrahmen – bilden eine einzige Hauptbaugruppe. Alle weiteren Systemkomponenten wie Prozesswasserkreislauf mit Bypass, Schneidkammeraustrag, Schauglas, Zentrifugaltrockner, Bandfilter, Wasserpumpe, Wärmetauscher und Transportsystem können aus einem umfangreichen Zubehörprogramm ausgewählt und zu einem aufgabenspezifischen System kombiniert werden.
In jedem Unterwasser-Granuliersystem herrscht in der Schneidkammer und der Lochplatte ein fragiles Temperaturgleichgewicht. Die Düsenplatte wird sowohl kontinuierlich durch das Prozesswasser gekühlt als auch durch Düsenkopfheizungen und den heißen Schmelzfluss erwärmt. Die Reduzierung des Energieverlusts von der Düsenplatte an das Prozesswasser führt zu wesentlich stabileren Prozessbedingungen und einer höheren Produktqualität. Um diesen Wärmeverlust zu reduzieren, kann der Verarbeiter eine thermisch isolierende Matrizenplatte wählen und/oder auf eine flüssigkeitsbeheizte Matrize umsteigen.
Viele Verbindungen sind sehr abrasiv, was zu einem erheblichen Verschleiß an Kontaktteilen wie den Rotorblättern und Filtersieben im Zentrifugaltrockner führt. Andere Verbindungen reagieren möglicherweise empfindlich auf mechanische Einwirkungen und erzeugen übermäßig viel Staub. Bei diesen beiden Spezialmaterialien legt ein neuartiger Pellettrockner die nassen Pellets auf ein perforiertes Förderband, das über ein Luftmesser läuft und so das Wasser effektiv absaugt. Der Verschleiß von Maschinenteilen sowie die Beschädigung der Pellets können im Vergleich zu einem Pralltrockner deutlich reduziert werden. Aufgrund der kurzen Verweilzeit auf dem Band ist in der Regel eine Nachentwässerungstrocknung (z. B. mit einem Wirbelbett) oder eine zusätzliche Kühlung erforderlich. Die Vorteile dieser neuen Lösung zur berührungslosen Pellettrocknung sind:
•Geringere Produktionskosten aufgrund der langen Lebensdauer aller Teile, die mit den Pellets in Berührung kommen.
•Schonende Pelletbehandlung, die eine hohe Produktqualität und eine geringere Staubentwicklung gewährleistet.
•Reduzierter Energieverbrauch, da keine zusätzliche Energiezufuhr notwendig ist.

ANDERE PELLETIERVERFAHREN
Einige andere Pelletierungsverfahren sind im Compoundierbereich eher ungewöhnlich. Der einfachste und kostengünstigste Weg, Kunststoffe auf die für die Weiterverarbeitung geeignete Größe zu zerkleinern, könnte ein einfacher Schleifvorgang sein. Die resultierende Partikelform und -größe ist jedoch äußerst inkonsistent. Auch einige wichtige Produkteigenschaften werden negativ beeinflusst: Die Schüttdichte nimmt drastisch ab und die Fließeigenschaften der Schüttung werden sehr schlecht. Deshalb ist solches Material nur für minderwertige Anwendungen akzeptabel und muss relativ kostengünstig vermarktet werden.
Das Würfeln war seit dem frühen 20. Jahrhundert ein gängiges Verfahren zur Größenreduzierung. Die Bedeutung dieses Prozesses hat seit fast 30 Jahren stetig abgenommen und trägt derzeit kaum noch zu den aktuellen Pelletmärkten bei.
Die Stranggranulierung unter Wasser ist ein hochentwickelter automatischer Prozess. Diese Produktionsmethode wird jedoch hauptsächlich bei der Herstellung einiger neuer Polymere verwendet, beispielsweise für Polyester, Nylon und Styrolpolymere, und findet in der heutigen Compoundierung keine allgemeine Anwendung.
Die luftgekühlte Pressflächengranulierung ist ein Verfahren, das nur für nicht klebrige Produkte, insbesondere PVC, geeignet ist. Dieses Material wird jedoch häufiger in Chargenmischern unter Erhitzen und Kühlen vermischt und als Trockenmischungen ausgetragen. Es werden nur vernachlässigbare Mengen an PVC-Verbindungen zu Pellets verarbeitet.
Auch die Wasserringgranulierung erfolgt automatisch. Es ist aber auch nur für weniger klebrige Materialien geeignet und findet seine Hauptanwendung im Polyolefin-Recycling und in einigen kleineren Anwendungen in der Compoundierung.

EINFLUSS AUF PRODUKTEIGENSCHAFTEN

Bei der Auswahl des richtigen Pelletierungsprozesses müssen mehr als nur die Pelletform und das Durchsatzvolumen berücksichtigt werden. Beispielsweise sind Pellettemperatur und Restfeuchte umgekehrt proportional; Das heißt, je höher die Produkttemperatur, desto geringer ist die Restfeuchte. Einige Verbindungen, wie zum Beispiel viele TPE-Typen, sind klebrig, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Dieser Effekt kann durch Zählen der Agglomerate – Zwillinge und Vielfache – in einer Pelletmenge gemessen werden.
In einer Unterwasser-Pelletieranlage können solche Agglomerate aus klebrigen Pellets auf zwei Arten erzeugt werden. Erstens liegt die Oberflächentemperatur des Pellets unmittelbar nach dem Schnitt nur etwa 50 °F über der Prozesswassertemperatur, während der Kern des Pellets noch geschmolzen ist und die durchschnittliche Pellettemperatur nur 35 bis 40 °F unter der Schmelztemperatur liegt. Wenn zwei Pellets in Kontakt kommen, verformen sie sich leicht, wodurch eine Kontaktfläche zwischen den Pellets entsteht, die möglicherweise frei von Prozesswasser ist. In dieser Kontaktzone schmilzt die erstarrte Haut aufgrund der vom geschmolzenen Kern transportierten Wärme sofort wieder auf und die Pellets verschmelzen miteinander.
Zweitens steigt nach der Entnahme der Pellets aus dem Trockner die Oberflächentemperatur der Pellets aufgrund des Wärmetransports vom Kern zur Oberfläche. Werden weiche TPE-Granulat in einem Behälter gelagert, kann es zu einer Verformung des Granulats kommen, die warmen Kontaktflächen zwischen den einzelnen Pellets werden größer, die Haftung nimmt zu und es kommt wiederum zu Agglomeraten. Dieses Phänomen verstärkt sich wahrscheinlich bei kleineren Pelletgrößen, z. B. Mikropellets, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen mit kleinerem Durchmesser zunimmt.
Die Agglomeration der Pellets kann durch die Zugabe einer wachsartigen Substanz zum Prozesswasser oder durch Bepudern der Pelletoberflächen unmittelbar nach dem Pellettrockner verringert werden.
Durch die Durchführung mehrerer Pelletierungstestläufe bei konstanter Durchsatzrate erhalten Sie eine Vorstellung von der maximalen praktischen Pellettemperatur für diesen Materialtyp und diese Pelletgröße. Alles über dieser Temperatur erhöht die Menge an Agglomeraten, und alles unter dieser Temperatur erhöht die Restfeuchtigkeit.
In einigen Fällen kann der Pelletiervorgang entbehrlich sein. Dies gilt nur für Anwendungen, bei denen neue Polymere direkt in fertige Produkte umgewandelt werden können – beispielsweise die direkte Extrusion von PET-Folien aus einem Polymerreaktor. Wenn die Compoundierung von Additiven und anderen Zutaten jedoch einen echten Mehrwert schafft, ist eine direkte Umwandlung nicht möglich. Wenn eine Pelletierung erforderlich ist, ist es immer am besten, die Möglichkeiten zu kennen.
ÜBER DEN AUTOR
Horst Müller kam 1997 zur Automatik Plastics Machinery GmbH, einem führenden deutschen Hersteller von Kunststoffgranulierungsanlagen. Müller ist in den Bereichen Technik, Entwicklung, Standardisierung, Verwaltung geistigen Eigentums, Dokumentation und Marketing tätig.