Modifikatoren für Wood Plastic Composites (WPC)

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1 Substance for Success. Anwendungsinformation TP-A 1 Modifikatoren für Wood Plastic Composites (WPC)

2 Grundlagen Wood Plastic Composites (WPC) gehören zur Gruppe der naturfaserverstärkten Compounds und in diesem Werkstoff kommen Holzfasern (oder Holzmehl) als verstärkender Füllstoff mit einem üblichen Anteil von 8 % zum Einsatz. Es sind eine Reihe an weiteren Naturfasern für vergleichbare Anwendungen möglich, z.b. Hanf, Flachs, Sisal und Kokosnussfasern. Volumenmäßig am häufigsten werden aber Holzfasern verwendet. Als Bindemittel für die Fasern kommen polymere Werkstoffe wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und PVC zum Einsatz. Vorteile In der Herstellung sind WPC-Produkte in der Regel teurer als konventionelle Holzwerkstoffe, haben aber eine Reihe von Vorteilen. Neben einer deutlich einfacheren und vielfältigeren Formgebung sind sie aufgrund ihrer besseren Witterungsbeständigkeit deutlich länger haltbar. Im Vergleich zu Produkten aus reinen Kunststoffen sind WPC wegen des hohen Holzanteils sowohl preislich als auch technisch deutlich günstiger. Häufig werden sie aufgrund ihrer Langlebigkeit zum Ersatz von Tropenhölzern verwendet und helfen beim Erhalt der ökologisch so wichtigen Tropenwälder. Anwendungen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe finden überall dort Anwendung, wo klassischerweise bisher Holz zum Einsatz kommt. Zu allererst ist hier die Anwendung als Bodenbelag (decking) im Innen- und hauptsächlich Außenbereich zu nennen. Aber auch für Geländer (railing), Sichtschutzwände, Fassadenverkleidung, Möbel und vieles mehr finden WPC ihren Einsatz. Herstellung Mengenmäßig am weitesten verbreitet sind WPC-Profile, die in einem einoder zweistufigen Extrusionsverfahren hergestellt werden (Abbildung 1). Einstufen-Extrusion: Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Direktextrusionsprozeß. Bei diesem Verfahren erfolgt die Mischung der Holzfasern mit dem Kunststoffgranulat (Compoundierung) und die Extrusion des Profils in einem Schritt. Hierzu werden in der Regel konische, gegenläufige Doppelschneckenextruder eingesetzt, die zum einen in der Lage sind Holz und Kunststoff intensiv zu vermengen und zum anderen den erforderlichen Druckaufbau zur Extrusion des gewünschten Profils ermöglichen. Zweistufen-Extrusion: Hier erfolgen die Compoundierung und die Extrusion der Profile in zwei separaten Prozessen. Zur Herstellung des Compounds kann bei diesem Verfahren mit unterschiedlichen Extruder-Typen gearbeitet werden. Am häufigsten kommen hier gleichlaufende, parallele Doppelschneckenextruder zum Einsatz. Aber auch Planetwalzenextruder für die WPC Herstellung Naturfasern Kunststoffgranulat Compoundierung Einstufen-Extrusion besonders schonende Herstellung von hochgefüllten Compounds und Heiz- Kühl-Mischer Kombinationen finden Verwendung. Weitere Mischverfahren sind Pelletierpressen und spezielle Mahlverfahren bei denen das Holz und der Kunststoff im Bereich der Schmelzetemperatur der Kunststoffe vermahlen werden. Die Herstellung des Profils findet dann anschließend in der Regel auf Einschneckenextrudern statt. Wenn ein WPC nach dem oben bei der Zweistufen-Extrusion beschriebenen Compoundierverfahren hergestellt wurde, muss es anschließend nicht notwendigerweise extrudiert werden, sondern kann auch auf andere Weise weiterverarbeitet werden. Hier ist insbesondere der Spritzguss zu nennen, eine Technik, mit der sich auch komplexe Formen herstellen lassen. Weitere Möglichkeiten sind Rotationsguss und Plattenpressenverfahren; prinzipiell sind die WPC Compounds nach nahezu allen herkömmlichen Verarbeitungsverfahren der Kunststofftechnik verarbeitbar. Limitierender Faktor ist zumeist das Fließverhalten und dies ist maßgeblich abhängig vom Holzfüllgrad. Compoundierung & Extrusion Zweistufen-Extrusion Extrusion Spritzguss Rotationsguss Plattenpressen WPC Profile Andere Formen Abbildung 1

3 SCNA Modifikatoren in WPC Die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften eines mit Holzmehl gefüllten WPC auf Basis von Polypropylen ist in Abbildung am Beispiel des E-Moduls und der Charpy Schlagzähigkeit dargestellt. Mit steigendem Gehalt an Holzfasern nimmt das E-Modul zu und die Schlagzähigkeit ab. Die Erhöhung des E-Moduls ist gewünscht, aber die Reduzierung der Schlagzähigkeit natürlich nicht. Durch den Einsatz von SCNA Kopplern, die den Verbund der Holzfasern mit der Polymermatrix deutlich erhöhen, lassen sich auch die mechanischen Eigenschaften wie Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit des Verbundwerkstoffes ganz erheblich verbessern (Abbildung 3). Außerdem werden die Belastbarkeit bei höheren Temperaturen und die berflächengüte erhöht. Die SCNA Modifikatoren verringern auch die Wasseraufnahme deutlich, was zu einer besseren Dimensionsstabilität führt. Für Anwendungen im Außenbereich wie z.b. Terrassendielen ist dies von großer Bedeutung. Chemie der Modifikatoren Bei den SCNA Modifikatoren handelt es sich immer um unpolare Basispolymere, die mit unterschiedlichen Monomeren in einem Grafting-Prozess (Pfropfung) funktionalisiert werden (Abbildung 4). Die Modifikatoren zum Einsatz in WPC sind mit Maleinsärueanhydrid modifiziertes Polypropylen und Polyethylen. Einfluss des Holzgehaltes auf die mechanischen Eigenschaften eines WPC E-Modul (MPa) Holzgehalt (Gew. %) Abbildung Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Koppler Biegefestigkeit (MPa) E-Modul Charpy Schlagzähigkeit Holzgehalt (Gew. %) X hne Koppler X Mit Koppler Abbildung 3 Chemie der SCNA Koppler für WPC Charpy Schlagzähigkeit (kj/m ) Charpy Schlagzähigkeit (kj/m ) Holzgehalt (Gew. %) Alle SCNA Produkte werden nach einem patentierten Verfahren in der Festphase gepfropft, während sonst üblicherweise die Umsetzung der Polymere mit den Pfropfmonomeren in der Schmelze durchgeführt wird. Durch das Festphasen-Grafting lassen sich höhere Funktionalisierungsgrade St MSA MSA MSA Basispolymer PP oder PE MSA MSA = Maleinsäurenhydrid St = Styrol Abbildung 4 3

4 erreichen, was zu niedrigeren Einsatzmengen des Modifikators im Compound führt. Der Gehalt an flüchtigen organischen Verbindungen (VC) ist bei nach diesem Verfahren hergestellten Produkten äußerst niedrig. Außerdem wird durch die niedrigere Prozesstemperatur das Basispolymer weniger geschädigt und das somit höhere Molekulargewicht macht sich in besseren mechanischen Kennwerten des Compounds bemerkbar. Mehr Details zur Technologie der SCNA Modifikatoren finden Sie in der Broschüre TP-TI Technologie der SCNA Kunststoffmodifikatoren. Kombiniertes Festphasen-/Schmelze-Grafting MFR (19 C,,16 kg) (g / 1 min.) 1 5 Einstufiges Schmelze-Grafting 1,5 Einstufiges Festphasen-Grafting Festphasen-Grafting Schmelze-Grafting 1 1,5 Kombiniertes Festphasen- und Schmelze-Grafting Pfropfgrad (Gew. % MSA) Abbildung 5 Die Technologie bietet auch die Möglichkeit, in einem zweistufigen Prozess zu graften. In der ersten Stufe erfolgt ein normales Festphasen- Grafting, an das sich dann in der zweiten Stufe ein Schmelze-Grafting anschließt (Abbildung 5). Durch diese Kombination lassen sich noch höhere Pfropfgrade erzielen. SCNA Modifikatoren, die nur nach dem Festphasen-Prozess hergestellt wurden, sind die SCNA TP -Produkte. Durch den kombinierten Prozess entstehen die SCNA TS -Produkte. Wirkmechanismus Die Maleinsäureanhydrid-Gruppen des Modifikators reagieren mit den H-Gruppen der Holzfaser zu einer chemisch-stabilen Verbindung (Abbildung 6). Die Fasern werden dadurch optimal in die Polymermatrix eingebunden, was zu den wesentlichverbesserten mechanischen Eigenschaften und der höheren Witterungsbeständigkeit des Compounds führt. Reaktion des Kopplers mit Naturfasern Einbindung der Fasern in die Polymermatrix PP C C H H PP C C H H SCNA TPPP 811 FA Naturfaser H-Gruppen der Naturfasern MSA-Gruppen des Modifikators Basispolymer des Modifikators Abbildung 6 4

5 Anwendungen in Polypropylen Für WPC auf Basis von Polypropylen empfehlen wir als Koppler SCNA TPPP 811 FA. Abbildung 7 zeigt sehr anschaulich, wie die mechanischen Eigenschaften und die Wasseraufnahme eines WPC von der Technologie des eingesetzten Kopplers beeinflusst werden. Die Werte sind mit SCNA TPPP 811 FA durchweg günstiger als mit einem Koppler der durch Schmelze-Grafting hergestellt wurde. Bei den rot markierten Werten sind die Unterschiede am deutlichsten. Ein Vergleich mehrerer MSA-modifizierter Koppler auf PP-Basis wurde von Sykacek, Frech und Mundigler in der Österreichischen Kunststoffzeitschrift 38 (7) 1/, S.1 15 veröffentlicht. Vorteile eines mit Festphasen-Grafting hergestellten Kopplers WPC mit 6 % Lignocell P Super (Holzmehl), 38 % Polypropylen, % Modifikator Biegefestigkeit [MPa] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] Charpy-Schlagzähigkeit [kj/m ] Wasseraufnahme [%] (nach Tagen Wasserlagerung) SCNA TPPP 811 FA Modifikator trocken 6,6 47,6 nass 48,1 37 trocken 4,9 6,1 nass 35,1 18,6 trocken nass trocken 11,6 7, nass 1,3 6,7 6,5 8,9 Schmelze-Grafting Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Halle Abbildung 7 Vergleichsuntersuchung verschiedener gängiger Koppler Zugfestigkeit (MPa) Zugfestigkeit (MPa) Mittelwert aus 5 6 Messungen Probe PP-1 PP- 1, 1,76 Nullprobe: 6 % Holzmehl, % PP 1 19,,59 4,65 1, ,56 8,1 4 6,77 7,7 5 3,37 31,7 6 3,39 4,3 7 35,91 34,7 SCNA TPPP 811 FA ,1 31,57 9 8,78 3, Probe 1 5,7 5, ,4 5,84 Reines Polymer: 1 % PP Rezeptur für Proben 1 bis 1: 57 % Holzmehl, % PP, 3 % Modifikator MFR (3 C,,16 kg): X PP-1: g/1 min. X PP-: 1,5 g/1 min. Abbildung 8 Quelle: IFA-Tulln Institut für Naturstofftechnik, Tulln, Österreich Abbildung 8 zeigt einen Teil der Ergebnisse und illustriert das sehr gute Abschneiden des SCNA-Produktes beim Vergleich mit diversen anderen gängigen Kopplern. Und in Abbildung 9 wird noch einmal sehr deutlich, wie wichtig ein möglichst hoher MSA-Gehalt im Koppler ist. Je höher der Pfopfgrad, umso weniger Koppler wird zur Sättigung der Holzoberfläche benötigt. Wachse lassen sich zwar deutlich höher pfropfen, aber durch das niedrigere Molekulargewicht des Wachses ergeben sich schlechtere mechanische Eigenschaften. Einfluss des MSA-Gehaltes Biegefestigkeit (MPa) 75 ptimale Kopplermenge Kopplermenge (Gew. %) WPC mit PP und % Holzmehl Abbildung 9 X SCNA TPPP 811FA: 1,4 % MSA X SCNA TPPP 91FA: 1, % MSA X PP mit,5 % MSA X PP Wachs mit 7 % MSA Quelle: Dissertation Klaus Specht, Universität Kassel 7 5

6 Wenn in einer bestehenden Formulierung ein Koppler mit niedrigem MSA-Gehalt gegen ein Produkt mit höherem MSA-Gehalt ausgetauscht wird, ist es besonders wichtig auch die Dosierung anzupassen. Sonst kann es dazu kommen, dass nach dem Austausch die erwartete Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ausbleibt oder sich sogar eine Verschlechterung ergibt. Abbildung 1 erläutert den Sachverhalt: eingesetzt werden beispielsweise 3 % eines Kopplers mit,74 % MSA. Wird stattdessen die gleiche Menge eines Kopplers mit 1,7 % MSA verwendet, sind die Ergebnisse für die Biegefestigkeit nahezu identisch. Reduzierung der Einsatzmenge auf % verbessert die mechanischen Eigenschaften bei Einsatz des Kopplers mit dem höheren MSA-Gehalt. Ausschlaggebend für das Ergebnis ist immer der MSA-Gehalt im Composite. Das ptimum liegt in diesem Fall zwischen,3 und,4 % MSA. Der höher gepfropfte Modifikator erreicht diesen Wert schon mit % Einsatzmenge, während von dem Modifikator mit niedrigerem MSA- Gehalt naturgemäß deutlich höhere Dosierungen (ca. 5 %) notwendig sind. Die genauen Werte variieren im jeweiligen Anwendungsfall mit den eingesetzten Rohstoffen. Es ist deshalb immer empfehlenswert, durch eine Konzentrationsreihe den optimalen Punkt zu ermitteln. Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Koppler Biegefestigkeit (MPa) Biegefestigkeit (MPa) Kopplermenge im Composite (Gew. %),1,,3,4,5 MSA-Gehalt im Composite (Gew. %) WPC mit PP und % Holzmehl Abbildung 1 X Koppler mit 1,7 % MSA (Festphasen-Grafting) X Koppler mit,74 % MSA (Schmelze-Grafting) Vergleich der Wirkung von Kopplern auf Basis LLDPE und HDPE auf die mechanische Festigkeit Paralleler gleichlaufender Extruder Zugfestigkeit (MPa) Kopplermenge (%) Konischer gegenläufiger Extruder X SCNA TSPE 111 GALL X SCNA TSPE 1 GAHD Abbildung 11 X Schmelz-maleiniertes Produkt Zugfestigkeit (MPa) ,5 1 1,5,5 3 3,5 Kopplermenge (%) Anwendungen in Polyethylen Zu Beginn der Entwicklung von WPC für breitere Anwendungen setzte man in Europa, im Gegensatz zu den USA, vor allem auf Polypropylen als Matrixmaterial. Die Bevorzugung von HDPE als Matrixpolymer in den USA war vor allem der hohen Verfügbarkeit von HDPE als Recyclingmaterial aus Verpackungen geschuldet. Aufgrund der besseren UV-Stabilität des Polyethylens ging man in den vergangenen Jahren auch in Europa verstärkt zu HDPE als Matrixmaterial über. Da HDPE von Natur aus über eine geringere Festigkeit und Steifigkeit verfügt, ist der Einsatz von Kopplern zur Verbesserung dieser Werte und natürlich auch der Verringerung der Wasseraufnahme besonders wichtig. 6

7 Für diese Anwendung sind zwei, durch Kombination von Festphasen- und Schmelzepfropfung sehr hoch gepfropfte SCNA-Modfikatoren besonders geeignet, wobei als Basispolymer einmal LLDPE und einmal HDPE dient. Welches Produkt im konkreten Fall zum Einsatz kommen sollte, hängt sehr von den zur Verfügung stehenden Mischaggregaten und den speziellen Zielsetzungen des jeweiligen Kunden ab (Abbildung 11 und 1). Die HDPE-basierte Type SCNA TSPE 1 GAHD bringt in allen Systemen sehr gute Resultate hinsichtlich der Verbesserung der mechanischen Kennwerte und Reduzierung der Wasseraufnahme. Der Einsatz des LLDPE-basierten SCNA TSPE 111 GALL ist aufgrund der nicht so guten Mischbarkeit von HDPE und LLDPE in nicht so stark knetenden Aggregaten, wie einem konischen gegenläufigen Extruder, nicht zu empfehlen. In besser durchmischenden Aggregaten, wie beispielsweise einem parallelen gleichlaufenden Extruder, bringt dieser Koppler zwar etwas geringere Festigkeitswerte (aufgrund der geringeren Eigenfestigkeit), dafür werden bei der Reduzierung der Wasseraufnahme mit diesem Koppler extrem gute Werte erzielt. Vergleich der Wirkung von Kopplern auf Basis LLDPE und HDPE auf die Wasseraufnahme Paralleler gleichlaufender Extruder Konischer gegenläufiger Extruder Wasserabsorption nach 14 Tagen (%) , 1,, 3, 4, Kopplermenge (%) Wasserabsorption nach 14 Tagen (%) ,5 1 1,5,5 3 3,5 Kopplermenge (%) X SCNA TSPE 111 GALL X SCNA TSPE 1 GAHD Abbildung 1 X Schmelz-maleiniertes Produkt Produktempfehlungen für WPC Koppler für PP Basispolymer Grafting MFR (19 C,,16 kg) MSA-Gehalt SCNA TPPP 811 FA PP Festphase > 8 g/1 min. 1,4 % Koppler für PE Basispolymer Grafting MFR (19 C, 5 kg) MSA-Gehalt SCNA TSPE 111 GALL LLDPE Festphase + Schmelz > 5 g/1 min. % SCNA TSPE 1 GAHD HDPE Festphase + Schmelz > 5 g/1 min. 1,7 % 7

8 Produkte und Anwendungen BYK Additive Produktgruppen: Additive zur Verbesserung von berflächenglätte, Verlauf und Untergrundbenetzung Entschäumer und Entlüfter Haftvermittler Netz- und Dispergieradditive für Pigmente und Füllstoffe Prozessadditive Rheologieadditive UV-Absorber Viskositätsreduzierer Wachsadditive BYK-Chemie GmbH Postfach Wesel Deutschland Tel Fax info@byk.com Anwendungsgebiete: Lackindustrie Maler- & Bautenlacke Autolacke Can Coatings Coil Coatings Holz- & Möbellacke Industrielacke Korrosionsschutzsysteme Lederlacke Pulverlacke Kunststoffindustrie Kalthärtende Systeme PVC-Plastisole SMC/BMC Thermoplaste Druckfarbenindustrie Flexodruckfarben ffset-druckfarben Inkjet-Tinten Siebdruckfarben Tiefdruckfarben Überdrucklacke Papieroberflächen-Veredelung Imprägnierungen Streichfarben Klebstoffe und Dichtungsmassen Bauchemie Pigmentkonzentrate Rohstoffe zur Herstellung von Trennmitteln BYK Instrumente BYK bietet die vollständige Produktlinie zur Lösung Ihrer Prüf- und Messaufgaben: Farbe Glanz/Appearance Portabel oder als Laborgerät mit einfach zu bedienender Qualitätskontroll-Software. BYK Instrumente die komplette Lösung für die Lack- und Kunststoffindustrie. BYK-Gardner GmbH Postfach Geretsried Deutschland Tel Fax info.byk.gardner@altana.com ANTI-TERRA, BYK, BYK -DYNWET, BYK -SILCLEAN, BYKANL, BYKETL, BYKJET, BYKPLAST, BYKUMEN, CARBBYK, DISPERBYK, DISPERPLAST, LACTIMN, NANBYK, PAPERBYK, SILBYK, VISCBYK und Greenability sind eingetragene Warenzeichen der BYK-Chemie. AQUACER, AQUAMAT, AQUATIX, CERACL, CERAFAK, CERAFLUR, CERAMAT, CERATIX, HRDAMER und MINERPL sind eingetragene Warenzeichen der BYK-Cera. SCNA ist ein eingetragenes Warenzeichen der BYK Kometra. Die vorstehenden Angaben entsprechen unserem besten Wissen. Aufgrund der vielfältigen Rezepturen, Produktions-, Betriebs- und Verarbeitungsbedingungen ist die Verwendung des Produktes auf die speziellen Bedingungen des Verarbeiters abgestimmt zu überprüfen. Die Angaben in diesem Dokument gelten nicht als zugesicherte Eigenschaft; wir sind nicht verantwortlich für den Einsatz des Produktes außerhalb der empfohlenen Anwendungsgebiete; eine Haftung auch für etwaige Patentverletzungen kann daraus nicht abgeleitet werden. Diese Ausgabe ersetzt alle bisherigen Versionen Gedruckt in Deutschland 6/13