Neue Wege in der Polymerproduktion: Planetwalzenextruder ersetzt Reaktionskessel

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Größtmögliche Flexibilität

Ein weiterer Vorteil speziell im Vergleich zu konventionellen Zweischnecken- oder Doppelwendelextrudern besteht darin, dass der PWE selbst dann noch problemlos betrieben werden kann, wenn er nur zu etwa zehn Prozent gefüllt ist. Das gibt dem Betreiber größtmögliche Flexibilität bei der Kapazitätsanpassung.

PWEs können dank eines Baukastensystems maßgeschneidert konzipiert werden, um bestimmte Sequenzen physikalischer und chemischer Prozessschritte nacheinander ablaufen zu lassen. Dazu werden bis zu acht individuell konfigurierbare Module, so genannte Walzenzylinder, auf einer einzigen Zentralspindel hintereinander geschaltet. Jedes dieser Module besitzt zwei getrennt temperierbare Zonen, zwischen den Modulen können Substanzen eingebracht oder ausgeschleust werden. Außerdem können dort Messungen vorgenommen werden. Über die Anzahl der eingesetzten Planetspindeln und die Art der Verzahnung können der Durchsatz, die Wärmetauschkapazität und die Durchmischung des Förderguts in weiten Grenzen variiert werden.

„Gerade diese Flexibilität hat uns auf die Idee gebracht, einen Planetwalzenextruder als chemischen Reaktor einzusetzen. Wir können viele Parameter verändern, um so optimale Reaktionsbedingungen zu realisieren“, erläutert Wolfgang Paczenski vom Netzwerk Innovative Werkstoffe, der selbst für Polymaterials tätig ist. So sind etwa die einzelnen Module für Betriebstemperaturen zwischen -30 und +330 °C ausgelegt, sodass sowohl Speiseeis als auch hoch schmelzende Polymere im PWE verarbeitet werden können.

Von der Idee zum Prozess

Gerade die Vielzahl der Parameter und ihrer Kombinationen ist zugleich eine Herausforderung bei der Verfahrensentwicklung. Das zeigte sich, als die Teams der beiden Unternehmen im Technikum der Polymaterials im Chempark Leverkusen begannen, die konkrete Aufgabenstellung eines Polymaterials-Kunden in einer Versuchsanlage abzubilden und zu realisieren. In einem PWE mit sechs Modulen und einem Nenndurchmesser von 70 mm mit bis zu sieben Planetspindeln je Modul sollte die hochviskose Lösung eines Präpolymers aus Styrol und Acrylsäure aufgearbeitet, weiter polymerisiert und schließlich granuliert werden. Das Präpolymer wurde zuvor in einer radikalischen Lösungspolymerisation im Batch-Verfahren erzeugt.

Zur Weiterverarbeitung wurde ein PWE-Layout gewählt, bei dem zunächst die Hauptmenge des Lösemittels Ethanol aus der 50-prozentigen Polymerlösung bei rund 150 °C abgetrennt wurde, ähnlich wie in einer Rückwärtsentgasung. Die effiziente Durchmischung des Präpolymers erlaubt dabei trotz der relativ hohen Temperatur ein gleichmäßiges und kontrolliertes Entweichen des Alkoholdampfes. Danach wird bei weiter steigender Temperatur und Viskosität Restlösemittel entfernt und die chemische Reaktion, ein Vernetzungsschritt, ausgelöst. Über das Temperaturprofil und die Verweilzeit kann dabei die gewünschte Molmasse eingestellt werden.

Das freie Volumen im PWE beträgt im vorliegenden Fall weniger als vier Liter. Aufgrund der somit nur geringen Materialmengen im Extruder und wegen der großen, zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Fläche lassen sich auch stark exotherme Reaktionen gut kontrollieren und sicher handhaben. Schließlich werden hinter der Reaktionszone das im Zuge der Kondensationsreaktion entstehende Wasser sowie Ethanolreste abgetrennt. Das Material, das den PWE am Granulator mit einer Temperatur von ca. 170 °C verlässt, ist ein nahezu farbloser, transparenter Thermoplast.

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