Effizienzsteigerung durch Schäumen von Kunststoffen

Eingebettetes geschäumtes Polystyrol zur lichtmikroskopischen Untersuchung der Blasengröße - (Bild: IKT).

Schaumstoffe ermöglichen Bauteile mit hohem Nachhaltigkeitspotenzial, guten spezifischen mechanischen Eigenschaften und nicht zuletzt geringen Kosten. Beispielsweise können beim Thermoformen zur Reduktion der Bauteilmasse geschäumte Halbzeuge eingesetzt werden. Eine hohe mechanische Festigkeit sowie das Erzielen einer gewünschten Oberflächenästhetik bei möglichst geringer Dichte sind Herausforderungen für deren Einsatz. Diese drei Anforderungen lassen sich jedoch nur schwer gleichzeitig erfüllen. Eine Reduktion der Dichte geht gewöhnlich mit einer Verschlechterung der mechanischen Festigkeit einher. Außerdem wird die Oberflächenästhetik der Halbzeuge durch den Schäumprozess negativ beeinflusst.

Am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart werden daher verschiedene chemische Treibmittelarten und -konzentrationen zum Schäumen flammgeschützter ABS-Halbzeuge eingesetzt. Dadurch kann die Dichte der Halbzeuge im Vergleich zu nicht-geschäumten Halbzeugen um etwa 25 Prozent reduziert werden. Die Halbzeuge lassen sich gut thermoformen, sodass sich ein hohes Potenzial für den industriellen Einsatz erkennen lässt.

In weiteren Forschungsaktivitäten am IKT werden neue Methoden zur direkten Erfassung der temperatur-, druck- und treibmittelkonzentrationsabhängigen Viskosität und ein Modell zur Vorhersage der Viskosität im physikalischen Schaumspritzgießprozess untersucht. Die Messdatenerfassung zur Beschreibung der Viskosität erfolgt mittels einer am IKT entwickelten Inline-Viskositätsmessdüse. Dadurch lassen sich die Drucksignale in Abhängigkeit von den Prozessparametern während des Schaumspritzgießens erfassen. Eine neue Auswertungsmethode erlaubt es, die Viskosität während des Schäumens direkt im Verarbeitungsprozess zu bestimmen und dadurch die Einflussgrößen auf die Viskosität zu erfassen.

Weiterhin wird am IKT eine Methode zur visuellen Analyse des Expansionsverhaltens von treibmittelbeladenen Kunststoffschmelzen erforscht. Zur Untersuchung wurde in die Wasserbox des Prozesses der Unterwassergranulierung ein sog. Boreskop mit einer Kamera eingebracht. Durch die Versuchsanordnung kann zu jedem Zeitpunkt des Aufschäumens ein Bild während des Schäumprozesses in Abhängigkeit von der Messerposition zum Düsenaustritt aufgenommen werden. Es zeigt sich, dass die Methode zuverlässige Ergebnisse liefert und die Unterschiede des Expansionsverhaltens aufgrund des Treibmittelgehalts (Stickstoff) im Werkstoff (Polystyrol) während des Aufschäumprozesses ausgemacht werden können. Somit können die Einflüsse des Werkstoffs, Treibmittels sowie der Prozessparameter auf das Expansionsverhalten und dadurch das Aufschäumen im Verarbeitungsprozess untersucht und charakterisiert werden.

Heutzutage dominieren immer noch Partikelschäume aus Polystyrol (PS) den Markt. Aufgrund von Restriktionen in einigen Ländern gegen Verpackungen aus PS, ist eine Alternative zu dem auf fossilen Ressourcen basierenden PS unabdingbar. Polylactid (PLA) ist einer der bedeutenden Biokunststoffe und stellt somit einen guten Substituenten für PS dar, auch wegen der vergleichbaren Eigenschaften zu PS. Als ein Nachteil von kommerziell erhältlichem PLA gilt jedoch die geringe Schmelzefestigkeit und -dehnfähigkeit, die beim Schäumen eine wichtige Rolle spielt. Am IKT werden Werkstoffmodifikatoren eingesetzt, um dies zu verbessern. Durch die Modifizierung kann das Molekulargewicht und die Viskosität von PLA erhöht und somit ein Partikelschaum aus amorphem PLA hergestellt werden.

Diese und weitere Themen der Kunststofftechnik werden im Rahmen des 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums digital vom 1. bis zum 4. März 2021 vorgestellt.

27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 01.-04. März 2021, Stuttgart

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/27.-stuttgarter-kunststoffkolloquium/, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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