Herausforderung bei der Herstellung von HFFR-Compounds

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Anwendungsspezialist spricht im Interview über Anlagenlösung zur Herstellung von HFFR-Compounds, über Produktionsverfahren und Maschinenanforderungen.

In Europa schreibt die CPR den Einsatz von HFFR-Compounds – also Compounds mit einem hohen Anteil an anorganischem Flammschutz – in öffentlichen Gebäuden und Verkehrsmitteln vor. Um Brandkatastrophen durch Kabelbrände noch vehementer entgegenzuwirken, wurde die EU-Bauproduktenverordnung CPR (Construction Products Regulation) vor gut zwei Jahren nochmals verschärft. Die Verordnung selbst regelt die Anforderungen an die in der Bauindustrie verwendeten Materialien wie zum Beispiel Kabel in öffentlichen Gebäuden. Sie hat das Ziel, das Brandrisiko weiter­ zu verringern, die Ausbreitung von Bränden zu verzögern, die Rauchgasbildung zu minimieren und vielfältigen Schutz für Menschen, Sachwerte und die Umwelt zu bieten. Die Leistritz Extrusionstechnik GmbH bietet eine schlüsselfertige Anlagenlösung zur Herstellung von HFFR-Compounds. Über Herstellung und Maschinenanforderung haben wir mit Sebastian Fraas, Produkt- und Anwendungsmanager bei der Leistritz Extrusionstechnik GmbH, gesprochen.

Sebastian Fraas, Produkt- und Anwendungsmanager bei der Leistritz Extrusionstechnik GmbH. Foto: Leistritz

Herr Fraas, wieso ist dieses Thema im wahrsten Sinne des Wortes heiß?
Sebastian Fraas
: Die Herstellung von halogenfreien Flammschutz-Compounds, die als Kabelummantelung dienen können oder als Flammschutz in Sandwichverbunden zu finden sind, ist seit Juli 2017 strikt reguliert. Für Kabelhersteller­ bedeutet das Chance und Herausforderung zugleich. Chance, weil die Herstellung von HFFR-Compounds ein lukratives und zukunftssicheres Geschäftsfeld ist. Schließlich prognostiziert das Marktforschungsinstitut AMI (Applied Market Information) in seiner neuesten Studie ein Wachstum im Bereich Kabel HFFR-Compounds von über zehn Prozent pro Jahr bis 2023. Herausforderung, weil es prozesstechnisch nicht trivial ist, den hohen Anteil an Zuschlagstoffen in ein solches Compound homogen einzuarbeiten, ohne dabei die maximale Verarbeitungstemperatur zu überschreiten. Dies ist aber die Basis, um die geforderten Flammschutzeigenschaften zu gewährleisten.

Geringe Rauchgasbildung durch HFFR-Compounds

Welche Flammschutzeigenschaften sind das denn?
Fraas
: HFFR-Compounds entwickeln nur eine geringe Rauchgasbildung, verfügen über selbstlöschende Eigenschaften und hemmen die Flammausbreitung. Mit unserer Turnkey-Anlage können wir Metallhydroxide wie etwa Aluminiumhydroxid oder Magnesiumhydroxid sehr gut verarbeiten. Beide Füllstoffe spalten im Brandfall, respektive bei Überschreiten der Zersetzungstemperatur, in einem endothermen Prozess Wasser ab. Das gebildete Wasser wirkt kühlend, das gebildete Metalloxid oft verkohlend und krustenbildend. Zudem wird das Gemisch aus brennbaren Gasen und Sauerstoff an der Brandstelle durch den Wasserdampf verdünnt. Trotz der unterschiedlichen Mechanismen sind Metalloxide aber oft erst in hoher Dosierung von 30 bis 70 Prozent gut wirksam. Diese muss in den Prozess eingearbeitet werden. Mit unseren ZSE Maxx Doppelschneckenextrudern gelingt uns das problemlos.

Zugegebenermaßen: Bei der Herstellung von HFFR-Compounds hätte man jetzt nicht gleich an einen Doppelschneckenextruder gedacht. Bringt dieser nicht zu viel Energie in den Prozess? Und reicht die Dispergierung?
Fraas: Ja, ich kenne diesen Irrglauben. Wir treten gerne den Gegenbeweis an. Die Herausforderungen bei der Herstellung von hochgefüllten HFFR-Compounds sind das Einbringen und die Verarbeitung eines Füllstoffs mit niedrigem Schüttgewicht, das Einhalten der maximalen Prozesstemperaturen und eine optimale Dispergierung des Flammschutzes, damit gute mechanische Werte und die Flammschutzanforderungen erreicht werden. Dafür braucht man eine korrekt ausgelegte Anlage sowie die richtigen Prozessparameter. Anlagen-Set-up, Rezeptur und Verarbeitungsparameter müssen exakt abgestimmt sein. Das Resultat ist dann ein qualitativ­ hochwertiges Produkt – hergestellt auf einem Doppelschneckenextruder.

Wie sieht Ihre Lösung also aus?
Fraas
: Auf einer Verfahrenslänge von 48 L/D setzen wir zwei Seitenbeschickungen ein. Über die Einfüllöffnung wird das Polymer zugegeben und aufgeschmolzen. Der scherempfindliche Flammschutz wird anschließend über zwei Seitenbeschickungen dem Prozess zugeführt und sofort im Extruder mit der Schmelze benetzt und schonend eingearbeitet. Eine Kompaktierung des Füllstoffs wird vermieden. Durch den geziel­ten Einsatz von Knetzonen und Mischelementen wird anschließend im Extruder eine perfekte Zerteilung und Verteilung erreicht. Verlängern wir das Verfahrensteil auf 52 oder gar 56 L/D, erzielen wir eine noch bessere Dispergierqualität für Compounds mit besonderen Anforderungen.

Große Flexibilität

Welche Vorteile bietet die ZSE Maxx Technologie?
Fraas
: Grundsätzlich besteht der große Vorteil eines Doppelschneckenextruders gegenüber anderen marktüblichen Fertigungsverfahren für HFFR-Compounds in seiner großen Flexibilität. Durch den modularen Aufbau und das große Prozessfenster kann der Extruder einfach an die unterschiedlichsten Formulierungen angepasst werden. Mit drei Zugabestellen für Granulate und/oder pulverförmige Stoffe sowie der Möglichkeit, Flüssigkeiten in praktisch jedem Zylinder zuzugeben, können alle Formulierungen aus dem Bereich HFFR gefertigt werden. Die ZSE Maxx Extruder haben ein großes freies Volumen. Der Di/Da ist 1,66. Im Vergleich zu Wettbewerbsmaschinen und der Leistritz HP Baureihe (Da/Di = 1,5) entspricht dies einem Mehrvolumen von circa 30 Prozent. Dieses Plus an Volumen wird benötigt, um volumenbegrenzte Formulierungen wirtschaftlich produzieren zu können. Eine weitere Erhöhung des Volumens würde zu Problemen beim Handling und zu Verschleiß führen. Noch ein wichtiger Vorteil ist die hohe Drehmomentdichte.

Der ZSE Maxx hat einen Drehmomentfaktor von 15 Newtonmeter pro Kubikzentimeter. Im Vergleich zu Extrudern mit einem Drehmomentfaktor von 11Newtonmeter pro Kubikzentimeter entspricht dies einer Steigerung von 36 Prozent. Mit dem zur Verfügung ste­henden hohen Drehmoment kann die Schneckendrehzahl bei gleichbleibendem Durchsatz gesenkt werden. Hierdurch wird eine niedrigere Schmelzetemperatur erreicht. Alternativ kann bei gleichbleibender Schneckendrehzahl das Plus an Drehmoment genutzt werden, um den Durchsatz zu erhöhen. Durch diese Kombination von hohem Drehmoment und Volumen wird dem Prozess weniger Energie zugeführt. Dies hilft, die Schmelzetemperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur zu halten.

Herr Fraas, vielen Dank für das Interview.

Verfahrens-Set-up 48 L/D mit zwei Seitenbeschickungen Foto: Leistritz
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Größter Vorteil bei HFFR-Herstellung
Ein Vergleich eines ZSE Maxx Extruders (Da/Di=1,66) und eines ZSE HP (Da/Di von 1,5): Auf einem ZSE 50 HP (Da/Di = 1,5) wird ein Durchsatz von 500 kg/h gefahren. Dies führt zu einem gewissen Füllgrad der Schnecke. Die größte Scherung erfährt das Material zwischen Zylinderwandung und Schnecke sowie im Zwickelbereich zwischen den beiden Schnecken.
Wird nun derselbe Durchsatz auf einem Extruder der ZSE Maxx Baureihe gefahren (Da/Di = 1,66), ist der Füllgrad des Extruders bedingt durch das größere freie Volumen geringer. In Kombination mit dem schmaleren Steg sinkt der prozentuale Anteil des Materials, welches der hohen Scherung an der Zylinderwandung ausgesetzt ist. Wird nun – ermöglicht durch das hohe Drehmoment der ZSE Maxx – der Durchsatz auf der ZSE Maxx Maschine weiter erhöht (im Beispiel auf 700 kg/h), kann der spezifische Energieeintrag nochmals gesenkt, das Compound somit schonend und effizient hergestellt werden.
Speziell bei temperaturempfindlichen Produkten wie etwa einem HFFR-Compound auf ATH-Basis ist dies ein herausragender Vorteil.
Mit dem optimalen Set-up können HFFR-Compounds auf einem Leistritz Doppelschneckenextruder der ZSE Maxx Serie wirtschaftlich bei optimaler Qualität produziert werden. Mit der Kombination aus hohem Volumen und Drehmoment der Baureihe wird eine materialschonende Verarbeitung bei gleichzeitig hervorragender Dispergierung erreicht. Durch die hohe Flexibilität kann die Maschine einfach und schnell an unterschiedlichste Rezepturen angepasst werden. Geringe Reinigungszeiten garantieren eine hohe Wirtschaftlichkeit. Neben dem Extruder muss auch die weitere Anlagentechnik auf den Prozess abgestimmt sein. Da mehrere Komponenten kontinuierlich in den Extruder dosiert werden, ist ein gravimetrisches Dosiersystem Voraussetzung. Bei der Frage der Granulierung stehen mehrere Systeme zur Auswahl. Eine Variante ist eine Stranggranulierung. Speziell bei hohen Füllgraden jedoch können die HFFR-Compound-Stränge sehr brüchig werden. Daher ist diese Option nicht zu empfehlen. Ein Wasserringgranulator ist hier die bessere Wahl – gerade bei Rezepturen mit hohem Füllgrad und bei nicht klebenden Produkten. Die flexibelste Lösung ist eine Unterwassergranulierung. Mit ihr kann eine große Bandbreite an Rezepturen pelletiert werden.

sl

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