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Mit Terahertz-Wellen auf der Suche nach Gelpartikeln

28/04/2020

Können Terahertz-Wellen Gelpartikel in Kunststoffschmelzen detektieren und den Aufschmelzgrad charakterisieren? Diesen Fragen geht das SKZ in einem Forschungsprojekt nach.

Im Rahmen einer nachhaltigeren Produktion wird das Thema Recycling immer wichtiger. Ein Nachteil bei der Verwendung von recyceltem Material besteht jedoch im vermehrten Aufkommen von so genannten Gelpartikeln und ungewissen Aufschmelzgraden. Dies führt insbesondere bei Verpackungsanwendungen zu Qualitätsproblemen. Die Definition von Gelpartikeln ist dabei nicht eindeutig, denn sowohl unaufgeschmolzenes Fremd- als auch teilvernetztes Grundmaterial werden als Gelpartikel bezeichnet. Die Prüfung auf Gelpartikel erfolgt bis dato über die Herstellung von Folien oder Platten und einer anschließenden visuellen Inspektion. Dies ist zeitaufwändig und ermöglicht keine 100%-Kontrolle. Große Ausschussmengen und nur zeitverzögerte Korrekturmöglichkeiten führen zu einer geringen Wirtschaftlichkeit.

„Die Terahertz-Technologie (THz) ermöglicht hingegen eine wirtschaftlich sinnvolle 100%-Inline-Kontrolle direkt an der Kunststoffschmelze im Extruder. Die dabei verwendete THz-Strahlung ist im Vergleich zur Röntgenstrahlung nicht ionisierend und damit gesundheitlich völlig unbedenklich. Die Prüfung erfolgt berührungsfrei und ist weitestgehend temperaturunabhängig“, erklärt SKZ-Wissenschaftler Marcel Mayr.

Im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsprojekts werden am Kunststoff-Zentrum SKZ die zur Detektion von Gelpartikeln notwendigen THz-Komponenten in einen Extruder integriert. Da Gelpartikel in der Regel einen anderen Aggregatszustand (fest) als die umgebende Schmelze (flüssig) und somit zusätzliche Grenzflächen aufweisen, wird eine Inline-Detektion ermöglicht. Der Aufschmelzgrad der Kunststoffschmelze wird hingegen durch unterschiedliche Absorptionseffekte messbar gemacht. Werden diese Effekte auf physikalische Wechselwirkungsmechanismen reduziert und in ein Systemmodell überführt, können Aussagen über den Aufschmelzgrad und vorhandene Gelpartikel getroffen werden.

Das Projekt ist Anfang März 2020 gestartet und hat eine Laufzeit von zwei Jahren. Allen Firmen, die Interesse an einer im Prozess dokumentierten Produktqualität der Kunststoffschmelze haben und sich besonders für Gelpartikel und Aufschmelzgrade interessieren, haben die Möglichkeit, kostenlos und unverbindlich an dieser Entwicklung teilzuhaben.

Das Vorhaben mit dem Förderkennzeichen 21044 N wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert. Das SKZ bedankt sich für die finanzielle Unterstützung.

Aufschmelzgrad

Kenntnisse zum Aufschmelzgrad und dem Aufkommen von innenliegenden Inhomogenitäten ermöglichen eine wirtschaftlich und qualitätsseitig optimierte Prozessführung. Die Erfassung des Aufschmelzgrads spielt nicht nur in der Kunststoffverarbeitung, sondern in vielen anderen Branchen, wie etwa der mit dem Eiswürfel versinnbildlichten Lebensmittelindustrie, eine entscheidende Rolle.