Die Anwendung von Schaumstoff als Federelement

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1 GERÄTEELEMENTE 1 Die Anwendung von 1. Schaumkunststoffe 1.1. Struktur und Verarbeitung 1.2. Beispiele und Einteilung 1.3. Eigenschaften 1. Wärmeleitfähigkeit 2. Druckspannung 3. lineare Ausdehnungskoeffizienten 4. obere Temperaturanwendungsbereich 5. Brennbarkeit 1.4. Verwendung von Schaumkunststoffen 1. Verwendung von harten Schaumkunststoffen 2. Verwendung von weichen Schaumkunststoffen 2. weitere Schaumstoffe 3. Quellenverzeichnis

2 2 GERÄTEELEMENTE Schaumstoffe Allgemein versteht man unter Schaumstoffen nach DIN 7726 Werkstoffe mit über die gesamte Masse verteilten Zellen ( offen, geschlossen oder beides) und einer Rohdichte (DIN 53420),die niedriger ist, als die Dichte der Gerüstsubstanzen. Schaumstoffe werden aus Thermoplasten, Duroplasten und Elastometer hergestellt. Theoretisch können alle Kunststoffe geschäumt werden, aber in der Praxis werden nur wenige Kunststoffe in geschäumter Form, d.h. mit zelligem Aufbau, eingesetzt. Man unterscheidet Schaumstoffe in Schaumkunststoffe, in Schaumgummi, Schaumglas und Schaumbeton. ( 1 ) Schaumkunststoffe 1.1. Struktur und Verarbeitung Grundsätzlich lassen sich alle Kunststoffe in Form eines Schaumes herstellen. Die Massenschaumkunststoffe beschränken sich jedoch auf ein bestimmtes Stoffspektrum. Ihr Einsatz erfolgt auf den verschiedenen Gebieten, wobei es in erster Linie auf die Ausnutzung ihres niedrigen spezifischen Gewichtes, ihrer Chemikalienbeständigkeit, der guten Druck- und Schwingungsabsorbtion und das von keiner anderen Stoffgruppe gebotene Wärmeisolationsvermögen ankommt. Struktur : Schaumkunststoffe besitzen unterschiedliche Strukturen, z.b. offenzellig (Viskoseschwämme), geschlossenzellig (EPS-Schaum) oder gemischtzellig (besonders PUR[Polyurethan]-Schaum). Die offen- und gemischtzelligen Schaumkunststoffe können auch eine geschlossene Außenhaut besitzen. Diese Schaumkunststoffe mit dichter Außenhaut und zum Kern hin abnehmender Dichte bezeichnet man als Integral- oder Strukturschaumkunststoffe(vor allem bei Thermoplastschaumguß [TSG] und Reaktionsschaumguß [RSG] ).Struktur- oder Integralschäume sind RSG. PUR dient als Integralhartschaum, der bei Dichten von 0,5 bis 1,1 g/cm³ eingespritzt wird. Verarbeitung : Die zellige Struktur von Schaumstoffen kann erzeugt werden durch : ( 1 ) Es werden Gase in fließ- oder reaktionsfähige Ausgangsstoffe zur Reaktion gebracht. Dabei wird zum Beispiel CO 2 in Polyvinylchlorid (PVC) unter Druck und bei tiefer Temperatur eingemischt. Danach wird es solange erwärmt bis man den Erweichungsbereich von PVC erreicht. Dies führt zum Aufschäumen und Gelieren des Kunststoffes. ( 2 ) Bei dieser Methode werden die bereits eingemischten oder zugesetzten Treibmittel bei der Formgebung, vorwiegend durch Wärme frei. So führt die Wärmezufuhr bei treibmittelhaltigen PS-Granulat(EPS) zum Verdampfen des Treibmittels. Die Schaumbläßchen verschweißen nun im Erweiterungsbereich und dieser Zustand wird eingefroren. Bei PUR verdampft das Treibmittel bei Wärmezufuhr oder durch die entstehende Reaktionswärme. Aufgrund einer chemischen Vernetzungsreaktion erhärten sich dann die Schaumzellen.

3 GERÄTEELEMENTE 3 ( 3 ) Durch chemische Reaktionen der Substanzen werden die Treibmittel freigesetzt. Die Substanzen sind bereits in den Ausgangsstoffen enthalten bzw. entstehen durch Mischung mehrere Komponenten. Bei PUR-Schaum wirkt als Treibmittel, z.b. Kohlendioxid [CO 2 ]. Das Kohlendioxid entsteht bei der Reaktion der Isocyanate ( Kohlenwasserstoff- N = C = O ) mit Wasser. Die verbindungen mit Isocyanat-Gruppe [ ] Schaumzellen erhärten ebenfalls durch chemische Vernetzungsreaktionen. Je nach Art des Aufschäumen ( Gasbildung ) werden Schaumkunststoffe unterschieden nach: Kunststoffbasis, Zellstruktur und mechanischen Verhalten. Bei der Herstellung von Schaumkunststoffen kann man zwischen gleichmäßigen geschäumten Schaumkunststoffe ( gleiche Dichte über den gesamten Querschnitt ) und solchen mit unterschiedlichen Dichteverlauf mit unterschiedlichen über den Querschnitt ( Struktur- oder Integralschäume) unterschieden. Durch freies Aufschäumen erhält man vorwiegend gleichmäßig geschäumte Schaumkunststoffe. Struktur- oder Integralkunstschaumstoffe werden nur durch formbegrenztes Schäumen hergestellt. Je nach Rohstoffbasis unterscheidet man 3 Verfahren : Styropor -Verfahren Thermoplastschaumguß[TSG] Reaktionsschaumguß[RSG] ( A ) Styropur - Verfahren Bei rund 100 C wird treibmittelhaltiges PS-Granulat mit Dampf oder Wasser vorgeschäumt, gelagert bis zum Druckausgleich und dann in Werkzeugen mit Dampf von C zu Formteilen fertiggeschäumt. Das Ergebnis ist,daß man geschlossenporige Schaumkunststoffe mit homogener Verteilung und je nach Verarbeitungsbedingungen (Vorschäumen) Raumgewichte ( Rohdichte der Schaumkunststoffe) von 13 kg 3 80 kg 3 und bei Folien bis 160 kg 3 unterscheidet. Die vorgeschäumten Blöcke werden nun thermisch mit Heißdrahtgeräten zu Platten geschnitten. Platten und Folien können exdrudiert werden. Die m extrudierten Folien können warmumgeformt werden. m m ( B ) Thermoplastschaumguß ( TSG ) Ein treibmittelhaltiges Granulat ( vorwiegend ABS, SB, Polyolefine, PC, PPE mod.) bzw. entsprechendes Granulat mit zugemischten Treibmittelkomponenten wird auf Schneckenspritzgießmaschinen mit Verschlußdüsen verarbeitet. Das Treibmittel soll erst im Werkzeug voll wirksam arbeiten. Das Werkzeug wird mit nur 50% -70% gefüllt. Die restliche Formfüllung erfolgt durch Wirkung des Treibmittels. Die Drücke, die durch die Werkzeuge erzeugt werden, sind nur bar. Durch niedrige Temperaturen der Werkzeuge erhält man Formteile mit kompakter Außenhaut und geschäumten Kern. Die Dichten des Rohres betragen mindesten etwa 50% des kompakten Kunststoffes. Im Sandwichspritzgußverfahren ( ICI -Verfahren) können auch 2 unterschiedliche Kunststoffe in einem Werkzeug verspritzt werden. PVC-Hartschaum und PVC-Strukturschaum werden nach besonderen Verfahren hergestellt. Sandwichbauweise: Schaum ( C ) Raumschaumguß ( RSG ) GFK od. Metall GFK od. Metall

4 4 GERÄTEELEMENTE Als Ausgangsstoffe dienen flüssige Komponenten, meist auf der Basis von PUR. Diese werden entweder frei zu Blöcken aufgeschäumt und nachträglich zu Platten geschnitten oder das Aufschäumen erfolgt in Werkzeugen zu Formteilen. Beim RIM-Verfahren( Reaction-Injection-Moulding ) entstehen Formteile bei bestimmten Temperaturen der Werkzeuge. Diese haben dann eine kompakte Außenhaut und besitzen einen geschäumten Kern. Solche Struktur- oder Integralkunstschaumstoffe sind aus einer Kunststoffart und ergeben sehr rationell in einem einzigen Arbeitsgang große, dickwandige, leichte und doch sehr hochbeanspruchbare Formteile. Es sind große und unterschiedliche Wanddicken möglich. Werden den Ausgangsstoffen noch Glasfasern als Verstärkungsstoffen zugesetzt, so spricht man von RRIM ( Reinforced-Reaction-Injection- Moulding ).Es ergeben sich Formteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften 1.2. Beispiele und Einteilung Man unterscheidet die Schaumkunststoffe in harte bzw. weiche Schaumkunststoffe (Strukturbzw. Integralschaumkunststoffe). Außerdem kann man die harten Schaumkunst-stoffe noch unterscheiden in spröd-harte und zäh-harte. Einige Beispiele für Handelsnamen von Schaumkunststoffen, wobei (Zuerst werden die Schaumkunststoffe und danach die Firmen, die die Schaumkunststoffe herstellt, genannt.) Schaumkunststoffe ( Struktur- bzw. Integralschaumkunststoffe harte weiche Airex, Forex, Termanto ( Airex ); Baydor ( Bayer ); Airex PE - NV ( Airex) ; Trovipor ( Dynamit ); Dynapor ( Dynamit) ; Extir ( Mont ); Gedexel ( Orkem); Elastofoam,Elastoflex,Cellasto,Neopolen( BASF); Hostapor( Hoechst);Elastopor,Elastolit,Polystyrol TSG, Bayflex,Bayfit,vernetzter PE-Schaum (BAYER); Styropor,Strodur ( BASF );Noryl ( GEP ); Moltopren (BAYER); Rohacell( Röhm );Sniafoam ( Alu ); Vestyron(Hüls); Schaumkunststoffe harte weiche spröd-harte zäh-harte Phenolharz (PF) Polystyrol (PS) Polyurethan (PUR) Harnstoff-Formaldehyd (UF) Hart - Polyvinylchlorid (PVC) EPS - Hartschaum PUR - Weichschaum PVC - Weichschaum 1.3.Eigenschaften von Schaumkunststoffen

5 GERÄTEELEMENTE 1. Wärmeleitfähigkeit PUR - hart PUR - weich Syropor ( EPS ) Hart-PVC Weich-PVC W eich-pvc drucklos Harnstoffharz ( UF ) Phenolharz PE-W eichschaum 5 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 W Wä rmeleitfä hgkeit λ in K m 2. Druckspannung bei 10% Stauchung für verschiedene Dämmstoffe in N / mm² ( Prospektwerte ) Produkt Rohdichte kg / m³ N / mm² Phenolharzschaum 35 0,1-0,25 Phenolharzschaum 45 0,15-0,35 PS-Partikelschaum 15 0,05-0,1 PS-Partikelschaum 25 0,06-0,11 PS-Extruderschaum 30 0,25-0,42 PS-Extruderschaum 50 ~ 0,8 Polyurethanschaum 30 0,1-0,2 Polyurethanschaum 40 0,2-0,35 Harnstoff-Formaldehydschaum 10 0,01 PVC - Schaum 40 0,35 PVC - Schaum 60 0,8 3. Lineare Ausdehnungskoeffizienten von Schaumkunststoffen Produkt Ausdehnungskoeffizient mm / m ϑ 100K Polystyrol - Partikelschaum 6-9 Polystyrol - Extruderschaum 6-8 Polyurethan - Hartschaum 5-9 Phenolharzschaum obere Temperaturanwendungsgrenze von Schaumkunststoffen bei Langzeitbeanspruchung(Prospekt) Produkt obere Temperaturanwendungsgrenze Polystyrol - Partikelschaum Polystyrol - Extruderschaum Polyurethan - Hartschaum Phenolharzschaum PIR - Hartschaum 130 UF - Ortsschaum Klassifizierung von Schaumkunststoffen nach DIN 4102

6 6 GERÄTEELEMENTE Produktgruppe Baustoffklasse brennbar B 1 B 2 B 3 Phenolharzschaum x Polystyrol - Partikelschaum x x Polystyrol - Extruderschaum x Polyurethan - Hartschaum x x x Harnstoff - Formaldehydschaum x x PVC - Hartschaum x 1.4. Verwendung von Schaumkunststoffen Verwendung von harten Schaumkunststoffen Hartschaumstoffe auf der Basis EPS, PF, UF und PUR werden für thermische Isolierzwecke eingesetzt. Besonders gut sind sie als Stützkerne für biegesteife Leichtbauelemente in Verbindung mit dünnen Außenschichten hoher Festigkeit aus Metallen oder faserverstärkten Kunststoffen ( Sandwichkonstruktionen). PUR-Schaumstoffe werden zum Versteifen durch Ausschäumen von Hohlkonstruktionen, z.b. im Automobil- und Gefriermöbelbau wegen der guten Haftung bei gleichzeitig guter Wärmedämmung, eingesetzt. PUR als Integralschaum wird u.a. für Konstruktionszwecke (Möbelbau, Gehäuse für Büromaschinen, alle möglichen Meßgeräte, Funk- und Fernsehgeräte usw. ) eingesetzt. TSG findet vorwiegend Einsatz bei tragenden Konstruktionen, wie Gehäuse für Rundfunk- Fernseh- und Haushaltsgeräte sowie Büromaschinen, ferner für Sportgeräte ( Kinderskier, Tisch-tennisschläger oder Helmen) Verwendung von weichen Schaumkunststoffen Weichelastische Schaumstoffe auf der Basis von PUR werden für Polsterzwecke, Konstruktionsteile im Automobilbau ( Armaturentafeln, Stoßfängersysteme, umschäumte Lenkräder, KFZ-Sitze ) und für Schuhsohlen eingesetzt. PUR-Schaumstoffen in Folienform finden Einsatz im Automobilbau ( Auskleidungen, Dichtungen, Bodengruppenisolierungen, Entdröhung), im Bauwesen ( Isolierung; Sandwichelemente mit Metallen, Rohrisolationen, Teppichunterlagen) und im Verpackungssektor. PVC-Weichschaumstoffe mit einer Rohdichte von kg / m³ findet man bei Aufschäumungen für Polsterzwecke, Rohrisolationen, Auftriebskörper, Schwimmwesten und bei Kälteschutzanzügen. Weichelastische Schaumstoffe auf der Basis PE mit einer Rohdichte kg /m³ werden als Verpackungspolster für empfindliche Güter, z.b. elektrotechnische Geräte, ferner als Schwimmkörper, zur Wärmeisolation, Fugendichtungen und als Entdröhungselemente eingesetzt.

7 GERÄTEELEMENTE 7 2. Weitere Schaumstoffe Schaumbeton Zur Herstellung von Schaumbeton wird der Masse ein Schaumbildner beigemischt, z.b. fertiger Schaum aus Feuerlöschern. Schaumglas Schaumglas gehört den Werkstoffen der Schaumstoffe. Es ist ein graues undurchsichtiges Glas, das durch in ihm erzeugte Treibgase i. allg. bei Sintertemperatur auf etwa das 20igfache seines Volumens aufgebläht wird, so daß sich ein bienenwabenartiges Zellwerk bildet. Die Zellräume enthalten Reste der Gase unter Unterdruck. Sie stehen in der Regel nicht untereinander in Verbindung. Bei einer Rohdichte von etwa 160 kg 3 m ist Schaumglas nur etwa halb so schwer, wie Kork und übertrifft diesen auch in der Schwimmfähigkeit. Schaumglas ist ein hervorragender Dämmstoff, der eine wirksame Dämmung gegen Wärme und Kälte ermöglicht. Außerdem widersteht es Wasser, Säuren, Industrieabgasen und kann Temperaturen bis zu 450 C ausgesetzt werden. Die Druckfestigkeit beträgt 10 at ( 10 kp/cm²). Die Haftung zwischen Schaumglas und Mörtel, Beton und Kunstanstrichen ist gut. Schaumglas läßt sich gut mit Holzbearbeitungswerkzeugen behandeln. Zur Herstellung von Schaumglas ( zu Blöcken oder Platten ) wird Glas-mehl mit gasabspaltenden Stoffen, z.b. Kalkstein, mit Korks in geschlossen Formen in generatorbehitzten Tunnelöfen in 2 Etappen erhitzt ( max. Temperaturen 860 C). Die Formen verlassen den Sinterofen mit einer Temperatur von 630 C und werden anschließend im Kühlofen auf 50 C gekühlt. Schaumglas wird vor allem in Bauwesen verwendet, insbesondere als Dachbelag und als Isolationsmaterial für den Bau von Kühlhäusern. Es dient ferner als Schwimmkörper für Behelfsbrücken, Seezeichen und Seerettungsgeräte. Bei Amierung mit Metallnetzen oder - gittern ist Schaumglas auch für tragende Konstruktionen, z.b. Fußböden, geeignet. Schaumgummi ist ein hochelastischer, poröser und leichter Kautschuk mit einer Dichte von 010, g 3 025, g 3, der nach mehreren Verfahren direkt aus Latex cm cm hergestellt wird. Die Latexmischung wird z.b. mit Füllstoffen, Vulkanisationsbeschleunigern gasentwickelten Schaumbildnern und bestimmten grenzflächienaktiven Stoffen versetzt und durch starkes Rühren in einem wäßrigen Schaum übergeführt. Nach Zugabe besonderer Gelierungsmittel gießt man die Mischung in Formen. Die erstarrte Masse wird anschließend in Heizkanälen bei C mit Heizluft oder Heizdampf vulkanisiert. Schaumgummi dient hauptsächlich als Polstermaterial für Möbel und Fahrzeugausstattungen.

8 8 GERÄTEELEMENTE Quellenverzeichnis /1/ Hellerich/Harsch/Haenle: Werkstoff-Führer Kunststoffe; Karl Hanser Verlag, 6. Auflage, München/ Wien 1992 /2/ Sigurd Lohmayer: Die speziellen Eigenschaften der Kunststoffe; Expert Verlag 1984 /3/ Georg Menges: Werkstoffkunde Kunststoffe; Carl Hanser Verlag, 3. Auflage, München/ Wien 1990 /4/ Hubert Gräfen: Lexikon Werkstofftechnik; VDI Verlag, Düsseldorf 1991 /5/ ABC Naturwissenschaft und Technik; Brockhaus Verlag, 9. Auflage, Leipzig 1968