Echtzeitüberwachung von Partikelgröße und Partikelform von EPS während des Herstellprozesses
Expandierbare Polystyrol (EPS)-Schaumstoffe sind bereits seit den 1950er Jahren unter dem BASF-Handelsnamen Styropor® bekannt. Als Ausgangsstoff für EPS-Schaumstoffe dienen harte, perlförmige Polystyrol-Granulate, die im Zuge der Herstellung mit einem Treibmittel imprägniert werden. Durch die Zufuhr von Wärme beim Vorschäumen verdampft das Treibmittel und die kompakten EPS-Perlen blähen sich um das 20 bis 50-fache ihres Volumens auf. In der Weiterverarbeitung zu Platten, Blöcken oder Formteilen werden die expandierten Perlen beim Ausschäumen in Hohlformen in die gewünschte Gestalt gebracht und verschweißt. Der fertige Hartschaum zeigt die charakteristische Optik, die noch die ursprünglichen Perlen erkennen lässt. Aufgrund seiner geringen Dichte, der hohen Feuchtebeständigkeit, eines guten Wärmedämmvermögens und der hervorragenden Stoßdämpfung, werden EPS-Schaumstoffe als klassischer Dämmstoff im Bau, als sicheres Verpackungsmaterial für temperatur- oder stoßempfindliche Waren oder auch für die Konstruktion von Kindersitzen, Helmen oder Schwimmwesten eingesetzt. Die Größe der kompakten EPS-Rohperlen entscheidet dabei über die Verarbeitbarkeit und Qualität der EPS-Schäume. Für hochwertige und zielgenau einsetzbare EPS-Rohperlen ist die Größe der Granulatkörner somit ein entscheidender Qualitätsparameter, der bereits während der Herstellung zuverlässig kontrolliert werden sollte.
EPS-Granulate werden für verschiedene Weiterverarbeitungszwecke in bestimmten Größenfraktionen mit unterschiedlichen Treibmittelgehalten und optionalem Flammschutz vermarktet. Der Größenbereich der Rohperlen reicht dabei von wenigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern, wobei die einzelnen Fraktionen eng verteilt sind. So werden für die Herstellung von EPS-Trinkbechern mit sehr dünnen Wänden zum Beispiel Rohperlen in einem Größenbereich von 200 µm bis 400 µm benötigt. Größere Formteile, wie Blöcke oder Platten, erlauben gröbere Granulate – jedoch mit klaren Anforderungen an die Größenverteilung und ein vorgegebenes Grobkorn, das nicht überschritten werden darf.
Die EPS-Rohperlen werden in einer Polymerisationsreaktion hergestellt, anschließend gewaschen, getrocknet, je nach Produktspezifikation beschichtet, gesiebt und abgefüllt. Für eine effiziente Produktion der EPS-Granulate ist die Partikelgröße daher eine entscheidende Steuerungs- und Kontrollgröße zur Bereitstellung zuverlässiger Produktqualitäten und der Vermeidung von Fehlchargen, sowohl in der Polymerisation als auch in der Siebung.
- Produktion definierter Fraktionen für die gewünschte Endproduktqualität
- Maximierung der Ausbeute einer Größenfraktion
- Vermeidung von Fehlproduktion und aufwendiger Nachbearbeitung
- Optimierung der Prozessführung
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Die Herstellung von EPS-Perlen erfolgt in einer Polymerisationsreaktion, in der das flüssige Monomer Styrol in Wasser mit Startern und Additiven unter ständigem Rühren über mehrere Stunden in einem Kessel erhitzt wird. So entsteht zunächst eine metastabile Emulsion aus Styroltröpfchen in Wasser, die möglichst fein verteilt vorliegen sollte. Unter der Hitzeeinwirkung bauen sich aus den Styrolmolekülen schrittweise langkettige oder verzweigte Polymere auf. So entstehen im Laufe der Polymerisationsreaktion aus den flüssigen Styroltropfen wachsende und zunehmend fester werdende Polystyrolperlen. Ist die Zielgröße für die Partikel erreicht, wird die Reaktion gestoppt, das weitere Polymerwachstum unterbunden und das Verkleben der Perlen durch Zugabe eines Stabilisators wie z.B. Dicalciumphosphat verhindert. Dem Reaktor wird als Treibmittel Pentan zugegeben, das aus den Polystyrol-Perlen die expandierbaren Granulate macht. Eine finale Erhitzung des Systems sorgt für eine vollständige Aushärtung des Polymerisats zu festen Perlen, die nach dem Ablassen des Reaktors vom Wasser getrennt, gewaschen, getrocknet und mittels Siebschnitten in die gewünschten Größenfraktionen zerlegt werden. Sowohl zur Überwachung der Tröpfchengröße des fein verteilten flüssigen Styrols in der mit dem Wasser angesetzten Emulsion als auch zur Kontrolle und Steuerung des Polymerwachstums der sich kontinuierlich bildenden Polystyrol-Perlen steht die on-line-Ultraschallmesstechnik mit OPUS zur Verfügung. Der Ultraschallmessfinger wird zur Echtzeitanalytik über einen Adapterflansch (AF) durch den Boden oder die Wand in den Reaktor eingebracht, so dass sich die Messzone direkt im gerührten Ansatz befindet (in-situ). Hier erfolgt die Erfassung der Tropfen- und Partikelgröße sowie der Konzentration mittels Ultraschallextinktion unter Prozessbedingungen. Die Messsonde liefert ca. alle 2 Minuten eine in 31 Größenklassen aufgelöste Partikelgrößenverteilung. Die charakteristischen x10-, x50- und x90-Werte können in einem Q(t)-Diagramm über die Zeit aufgetragen dargestellt werden und ermöglichen so eine enge Kontrolle und Steuerung beim Fahren der Polymerisationsreaktion.
Durch die Echtzeitüberwachung der Partikelgröße im Reaktor kann sowohl die Prozessführung besser verstanden und optimiert, als auch die Zugabe von Stabilisator oder Treibmittel punktgenau eingeleitet werden. Die rechtzeitige Beendigung des Prozesses reduziert den Anteil an Ausschuss (Überkorn). Die OPUS-Analysen zeigen darüber hinaus eine sehr gute Vergleichbarkeit zu anderen Analysenmethoden, wie zum Beispiel der Siebung, der Bildanalyse oder auch der Laserbeugung, die typischerweise am ausgehärteten Produkt durchgeführt werden.
Applikationsstärken
- in-situ-Analyse unter Prozessbedingungen
- messfähig in Emulsion und Suspension
- einsetzbar bei hohen und veränderlichen Drücken und Temperaturen
- optionaler Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX)
Kundennutzen
- Vermeidung von Fehlchargen und Nachbearbeitung
- automatisierten Prozessführung und Verfahrensoptimierung
- frühzeitige Detektion möglicher Unregelmäßigkeiten im Prozess
- erhöhte Prozesssicherheit
Typische Konfiguration
Die Auftrennung der EPS-Perlen in unterschiedliche Produktqualitäten erfolgt auf großen Siebanlagen in sehr enge Größenfraktionen. Dabei sind bereits minimale Anteile von Grobgut ein Indikator für beginnende Siebbrüche. Um die Wiederaufbereitung von Fehlchargen zu vermeiden und die laufende Produktion nicht zu blockieren, müssen diese Siebbrüche zuverlässig und frühzeitig erkannt werden.
Auf Grund der Einzelkornerfassung erreicht die dynamische Bildanalyse eine einzigartige Sensitivität. Auch bei engen Verteilungen werden bereits minimale Grobgutanteile frühzeitig und sicher detektiert. Der Bildanalysesensor PICTOS lässt sich in eine oder mehrere parallel laufende Produktionslinien integrieren. Die repräsentative Probenahme erfolgt quasi-kontinuierlich mit dem dynamischen Probenehmer TWISTER, der den gesamten Rohrquerschnitt der jeweiligen Produktlinie auf einer Spiralbahn abfährt. Die kompakte Form der EPS-Perlen begünstigt einen problemlosen Transport von verschiedenen TWISTER-Probenahmen zu einem zentralen PICTOS-Sensor. So lassen sich bis zu 10 Produktlinien in einer einfachen Multiplex-Installation mit nur einem Bildanalysesensor zuverlässig überwachen.
PICTOS ist in der Lage geringste Anteile Grobgut und einzelnes Überkorn reproduzierbar aufzulösen und einen rechtzeitigen Wechsel der betreffenden Siebdecks zu veranlassen. Durch die ständige, zeitnahe Analyse des Siebaustrags steigt die Prozesssicherheit deutlich. Fehlchargen und Nachbearbeitung werden vermieden und damit die Prozesseffizienz signifikant erhöht.
Applikationsstärken
- schnelle und einfache Messung der Partikelgröße am Einzelkorn
- hohe Messfrequenz und statistisch relevante Messergebnisse
- leistungsfähige Auswertemodi für aussagekräftige Ergebnisse
- hohe Sensitivität zur Erkennung minimaler Grobgutanteile Multiplexinstallation zur Überwachung mehrerer Produktlinien mit einem Sensor
Kundennutzen
- Sicherstellung einer hohen Produktqualität entsprechend der Spezifikationen
- Gewährleistung eng verteilter Partikelgrößenfraktionen
- frühzeitige Detektion von Siebdurchbrüchen
- Vermeidung von Fehlchargen und Nachbearbeitung erhöhte Prozesssicherheit
