Extrusion 3-2023

30 Schaumextrusion – Aus der Forschung Extrusion 3/2023 D ie Zellstruktur hängt von einer Vielzahl verschiedener Prozess- und Materialparameter ab. Zum Erzielen feiner Zellstrukturen sollte beispielsweise der Deformationswiderstand des Kunststoffs ausreichend groß sein, um ein zu starkes Anwachsen der Zellen zu verhindern. Der Deformationswider- stand wird sowohl von der lokalen Deformationsgeschwindig- keit, der Deformationsgeschichte als auch von der Temperatur beeinflusst [Kro99]. Der Deformationswiderstand ist dabei so zu verstehen, dass jede Dehnung einen gewissen Druckgradienten ∆ p dehn bzw. eine gewisse Normalspannung σ erfordert. Beide können über die (strukturviskose) Dehnviskosität η dehn ausge- drückt werden [Gib89]: (Gl.1) (Gl. 2) Obwohl die Dehnviskosität einer der wichtigsten Kennwerte für die Beurteilung der Verschäumbarkeit von Kunststoffen darstellt, fehlt bislang ein umfassendes Verständnis über die Wechselwir- kung zwischen der Molekularstruktur des verwendeten Kunst- stoffes und den resultierenden Schaumeigenschaften in der Schaumextrusion. Zudem weisen zahlreiche Kunststoffe eine un- zureichende Schmelzefestigkeit auf, sodass die beim Schäumen auftretenden hohen Schmelzedeformationen häufig zum Kolla- bieren der Zellwände führen [HRS+21]. Diesem unerwünschten Effekt kann meist nur über die Modifikation der Kunststoffe auf molekularer Ebene oder speziell entwickelte Additive begegnet werden. Schäumversuche liefern zur Verifizierung dieser Ver- besserungsmöglichkeiten jedoch lediglich eine qualitative Aus- sage. Zudem besteht der wirtschaftliche Bedarf, die Kosten für die Herstellung der Schaumprodukte unter Einsatz bestehender Inline-Dehnrheometer für die Schaumextrusion Kunststoffverarbeitungstechnologien wie die Schaumextrusion versprechen neben Kosten- und Ressourcenersparnissen auch verbesserte Produkteigenschaften. So zeichnen sich geschäumte Kunststoffe durch eine hohe Dämm- und Isolationswirkung aus. Besonders relevant ist das Erreichen einer möglichst feinporigen und homogenen Zellstruktur, da durch eine feinzellige Schaummorphologie höhere mechanische Eigenschaften (zum Beispiel Druckfestigkeit) der geschäumten Produkte erreicht werden können [LP14]. Bild 1: Schnittdarstellung eines Prototyps des Inline-Dehnrheometers am IKV Anlagentechnik stetig zu reduzieren und Produktentwicklungen effizient voranzutreiben, um zum Beispiel auf neue Anforde- rungen der Kunden reagieren zu können. Letztlich können zahl- reiche Kunststoffe nur unter Einhaltung enger Prozessgrenzen oder mit entsprechender Modifizierung oder Additivierung ad- äquat geschäumt werden. Eine solche Produktentwicklung und die Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters sind jedoch häu- fig langwierige, iterative Prozesse [HRS+21]. Für kunststoffverarbeitende Unternehmen im Bereich der Schaumextrusion, aber auch für Blasfolien-, Blasform-, Thermo- formanwendungen sind daher Messverfahren nützlich, mit denen der Einfluss rezeptiver Änderungen auf die Dehnviskosi- tät quantitativ erfasst werden kann. Typischerweise wird hierbei auf den Rheotens-Versuch zurückgegriffen. Dabei wird die Dehnviskosität anhand der Abzugskraft bei der Verstreckung eines Schmelzestrangs aus einer Düse bestimmt [WBS98]. Mit diesem Aufbau können jedoch lediglich uniaxiale Dehnviskosi- tätswerte bestimmt werden [WBS98]. Da während des Auf- schäumvorgangs die Schmelze einer äquibiaxialen Dehnung ausgesetzt ist, sind die Ergebnisse der Rheotens-Messungen nur eingeschränkt auf den realen Schäumvorgang übertragbar. Mithilfe eines Inline-Rheometerkonzepts, das unter realen Pro- zessbedingungen die äquibiaxiale Dehnviskositäten misst, könnte der Einfluss von Rezepturänderungen oder Materialmo- difikationen auf die resultierende Schaumstruktur augenblick- lich quantifiziert werden. Die Inline-Fähigkeit dieses Rheometers erlaubt es, während des laufenden Betriebs unter realen Verar- beitungsbedingungen Messungen der biaxialen Dehnviskosität durchzuführen. In Vorarbeiten am IKV [HRS+21] wurde dazu auf Basis einfacher analytischer-iterativer Gleichungen ein Fließka- nalkonzept für ein Inline-Dehnrheometer entwickelt, das an- schließend in ein Werkzeugkonzept überführt wurde ( Bild 1 ). Der Aufbau des dargestellten Prototyps lässt sich in vier Bauele- Schmelzefluss