Beim Compoundieren werden Polymere mit Füllstoffen, Verstärkungsfasern, Farbmitteln, Flammschutzmitteln oder anderen Additiven zu einem homogenen Werkstoff aufbereitet. Das zentrale Qualitätsmerkmal eines jeden Compounds ist dabei die Mischgüte: Sie entscheidet darüber, ob die zugegebenen Komponenten gleichmäßig in der Matrix vorliegen, ob Agglomerate vollständig aufgebrochen wurden und ob das fertige Material reproduzierbare mechanische, optische und verarbeitungstechnische Eigenschaften aufweist.
In der Verfahrenstechnik wird zwischen zwei grundlegend verschiedenen Mischmechanismen unterschieden: dem distributiven und dem dispersiven Mischen. Beide Mechanismen laufen beim Compoundieren parallel ab, erfordern jedoch unterschiedliche Strömungs- und Energiebedingungen. Das Verständnis dieser Grundlagen ist Voraussetzung für die gezielte Auslegung von Schneckengeometrien, Prozessparametern und Dosierstrategien.
Distributives Mischen: Gleichmäßige Verteilung in der Matrix
Distributives Mischen bezeichnet den Vorgang, bei dem Teilchen oder Tropfen räumlich gleichmäßig über das gesamte Volumen der Polymerschmelze verteilt werden, ohne dass dabei eine Verkleinerung der Partikel stattfindet. Maßgebend ist hier die Umorientierung von Strömungsschichten durch Teilung, Dehnung und Wiedervereinigung von Schmelzeströmen. Je häufiger die Schmelze geteilt und umgelenkt wird, desto homogener wird die Verteilung der eingebrachten Komponenten.
In der Schneckenkonstruktion werden distributive Mischelemente gezielt eingesetzt, um diese Schmelzeumlagerung zu fördern. Typische Beispiele sind Zahnmischelemente, Igel-Elemente oder SME-Elemente (Static Mixing Elements), die den Schmelzestrom in Teilströme aufteilen und wieder zusammenführen. Der Energieeintrag ist bei rein distributivem Mischen vergleichsweise gering, da keine hohen Scherspannungen erforderlich sind.
Dispersives Mischen: Aufbrechen von Agglomeraten durch Scherkräfte
Im Gegensatz zum distributiven Mischen zielt das dispersive Mischen darauf ab, kohäsive Strukturen wie Rußagglomerate, Pigmentagglomerate oder Faserbündel durch mechanische Beanspruchung aufzubrechen. Voraussetzung dafür ist, dass die auf das Agglomerat wirkende hydrodynamische Kraft die innere Kohäsionskraft übersteigt. Dies erfordert definierte Scherspannungen, die durch enge Spalte zwischen Schneckenflug und Zylinderwand oder durch speziell ausgelegte Mischelemente erzeugt werden.
Dispersive Mischelemente wie Blister-Ringe, Knet-Blöcke oder Zahnscheiben erzeugen diese Scherspannungen gezielt. Die Wirksamkeit des dispersiven Mischens hängt von der Schmelzeviskosität, der Verweilzeit im Mischelement und der Spaltgeometrie ab. Bei zu geringer Viskosität — etwa durch zu hohe Verarbeitungstemperaturen — sinkt die Scherspannung, und Agglomerate werden nicht vollständig aufgebrochen. Die Prozessführung muss daher stets einen Kompromiss zwischen ausreichend hoher Viskosität für den Aufschluss und ausreichend niedriger Viskosität für den Materialfluss finden.
