Kunststoff Verarbeitungsverfahren

Kunststoffschäumen

Schaumkunststoffe bilden eine besondere Gruppe der großen Familie der Schaumstoffe und werden nach verschiedenen Verfahren hergestellt. In die Grundmasse wird wie beim Eischnee durch Rühren Gas eingebracht oder Gas wird wie bei der Konditorsahne eingeblasen. Schließlich können schon bei der Herstellung der Grundmasse chemische Treibmittel zugesetzt werden, in letzter
Zeit Kohlendioxid oder Cyclopentan. Beim Erstarren werden die Gasbläschen in der Gerüstsubstanz fixiert und verleihen der Masse eine geringe Dichte.

Schaumstoffe haben in den vergangenen Jahren immer mehr an wirtschaftlicher
Bedeutung gewonnen, nicht zuletzt deshalb, weil sich viele Polymerisate (z. B.
Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid), Polykondensate (Phenol-, Harnstoff-,
Epoxid-, Polyesterharze) und Polyaddukte (Polyurethane) schäumen lassen.

Außerdem lassen sich Schaumkunststoffe nicht nur mittels spezieller Schäum- verfahren herstellen. Auch Verfahren wie Spritzgießen und Extrudieren sind zur Herstellung von Schaumstoffen geeignet.

Schäumverfahren
Es existieren folgende Schäumverfahren:

Schaumextrusion
Bei der Herstellung von PP-E-Schaum (ebenso möglich ist dies für Polyethylen, Polystyrol, PET oder einige Biopolymere) wird aufgeschmolzenes Polypropylen im Extruder unter hohen Drücken mit Treibgas (z. B. Pentan, CO2) versetzt. Früher wurden als Treibmittel oft FCKW eingesetzt, deren Verwendung aber aufgrund der Ozon-Problematik inzwischen weitestgehend verboten ist.

Beim Austreten aus einer Lochdüse expandiert der Kunststoff auf das 20- bis 50-fache Volumen. Die entstehenden Schaumstränge können zum einen durch rotierende Messer im Wasserringgranulator oder Unterwassergranulator zu Schaumpartikeln von ca. 2–8 mm Durchmesser gekürzt werden. Sie werden dann vom Wasser abgeschieden, getrocknet, in Silos konditioniert und dann im sog. Formteilprozess zu Schaumformteilen verarbeitet.

Formteilprozess
Der Formteilprozess dient zur Verarbeitung von Schaumstoffpartikeln (EPS, EPP, EPE) zu Schaumstoffformteilen. Schaumstoffkügelchen mit Durchmessern von ca. 1–8 mm werden in poröse Aluminiumformen eingeblasen und mittels Heißdampf (ca. 1,2 bar für EPS, ca. 3 bar bei EPP) miteinander versintert. Nach der Abkühl- und Stabiliserphase können die neu entstandenen Formteile entformt werden.

Dieses Herstellverfahren ermöglicht es, thermoplastische Schaumteile im Dichtebereich zwischen ca. 12 kg/m³ und 300 kg/m³ bei sehr homogener Dichteverteilung über das gesamte Schaumteil herzustellen. Direktschäum- verfahren mit chemischen oder physikalischen Treibgasen beim Spritzguss erlauben dies wegen der begrenzten Abkühlgeschwindigkeit bei größeren Wandstärken nicht.

Der Formteilprozess ist sehr energieintensiv, da bei jedem Zyklus (Schuss) das Werkzeug (Form) und einige Teile des Formteilautomaten aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen.

• Styroporverfahren
Expandiertes Polystyrol (EPS) wird durch physikalisches Schäumen hergestellt: Das treibmittelhaltige Granulat (5 % Pentan) wird zunächst durch Erhitzen mit Wasserdampf bei ca. 105 °C bis auf das 40 bis 80-fache Volumen vorgeschäumt und danach zwischen 3 und 48 Stunden bei Raumtemperatur zwischengelagert, so dass danach das Pentan bis auf einen Anteil von ca. 3 % entweichen und Luft eindringen kann. Somit wird die Entstehung eines Vakuums im Inneren vermieden. Beim Fertigschäumen wird das vorgeschäumte EPS in eine Form gefüllt und durch weiteres Erhitzen auf ca. 130 °C mit Wasserdampf expandiert, das heißt, es füllt die Form und die einzelnen Teilchen verschmelzen an den Rändern. Bei großen Blockformen wird meist zudem vor dem Einbringen des Wasserdampfes ein Vakuum angelegt, um das Expandieren der EPS-Teilchen zu begünstigen.

Thermoplast-Schaumguss-Verfahren (TSG)
Durch Zugabe von Treibmitteln zu einer Reihe von Thermoplasten, auch solche
 mit Füllstoffen (Glas- oder Karbonfasern) lassen sich Schaumstrukturen in Spritzgussteilen erstellen. Die Treibmittel können je nach Art und Konsistenz dem Granulat in wenigen Prozent zugemischt oder der Schmelze im Zylinder in flüssigem Zustand unter hohem Druck zugepumpt werden. Im Kern besitzen die entstehenden Formteile eine Schaumstruktur, zur Oberfläche hin eine weitgehend kompakte Außenhaut. Das Verfahren wird angewendet, um z. B. dickwandige Partien an Spritzgussteilen mit einem Schaumkern zu versehen, um Einfallstellen zu vermeiden bis hin zur Innenschäumung relativ dickwandiger Formteile, um Gewicht sparen zu können, ohne die Wanddicke reduzieren zu müssen. Man wendet das Verfahren bei Wanddicken ab 2 mm, aber meist bei Wanddicken zwischen 4 und 20 mm an.

• PUR-Schäumen
Hier werden im Gegensatz zum Styroporverfahren flüssige, reaktionsfähige Ausgangsstoffe vom Verarbeiter verwendet. Werden Polyole mit Isocyanaten und dem Treibmittel (meist Wasser) vermischt, so reagiert das Polyol mit dem Isocyanat in einer Polyaddition zu PUR (Polyurethanschaum) und das Treibmittel bildet Gaseinschlüsse (bei dem Treibmittel Wasser reagiert dieses mit einem Teil des Isocyanates, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird). Zusatzstoffe wie auch das Treibmittel werden im Polyol beigemengt, so dass meist zwei Komponenten zum Einsatz kommen.

Je nach Auswahl der Ausgangsstoffe können die Eigenschaften eingestellt werden. So erhält man bei Verwendung von langkettigen Polyolen weiche bis elastische Schäume, oder bei kurzkettigen Polyolen stark vernetzte harte Schaumstoffe.

Als Hauptverfahren kann man das kontinuierliche Bandschäumen und die beiden diskontinuierlichen RSG (Reaktionsschaumguss) und RIM (Reaktion-Injektions- Moulding) bzw. Niederdruck und Hochdruck-Verfahren, wobei das Letztere immer mehr Verbreitung findet, nennen.

RRIM
Beim RRIM (Reinforced Reaction Injection Moulding) werden zwei Komponenten (Polyol und Isocyanat) und ein Verstärkungsstoff (z. B. Glasfaser, Kohlenstofffaser, Gesteinsmehl) im so genannten Mischkopf gemischt und unter hohem Druck in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Nach der exothermen Reaktion der Komponenten ist der duroplastische Kunststoff Polyurethan entstanden und kann dem Werkzeug entnommen werden. Anwendungsbeispiele sind Außenhautteile in der Automobilindustrie, wie Kotflügel, Schweller- und Stoßfängerverkleidungen. Ein Vorteil des Polyurethans gegenüber thermoplastischen Kunststoffen liegt in der relativ hohen Wärmeformbeständigkeit.

MuCell-Verfahren
Im MuCell-Verfahren wird der thermoplastischen Kunststoffschmelze ein inertes Gas (entweder Stickstoff oder Kohlendioxid) zugeführt und im Schmelzezylinder
zu einer Einphasenlösung gemischt. Beim Einspritzen dieser Einphasenlösung in die Kavität des Spritzgieß- oder Blasformwerkzeugs, bzw. bei der Extrusion bei Austritt aus der Düse, erfährt das Gemisch einen Druckabfall, was dazu führt,
dass das Gas über das Bauteil verteilt nukleiert und Millionen von kleinsten Zel-
len wachsen. Diese Zellen ersetzen dann ein definiertes Volumen, was zu einer Dichtereduzierung im Bauteil führt.

Quellen:
- https://de.wikipedia.org/wiki/Schaumstoff
- Schulbuch Kunststoffe - Werkstoffe unserer Zeit,
http://www.plasticseurope.org/documents/document/20150414160521-schulbuch_kunststoffewerkstoffeunsererzeit_2015_auflage16_web.pdf

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