Schäumen von thermoplastischen Biokunststoffen - Stand der Technik und Zukunftsperspektiven

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1 Schäumen von thermoplastischen Biokunststoffen - Stand der Technik und Zukunftsperspektiven Pia Borelbach, Carmen Michels, Thomas Wodke, Stefan Zepnik Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik, Oberhausen

2 Verfahren zum Schäumen von Kunststoffen Die häufigsten Verfahren zum Schäumen von Thermoplasten sind: Extrusionsschäumen Partikelschäumen Schaumspritzguss Verfahren Thermoplastschaumspritzgießen TSG Extrusionsschäumen EPS-Partikelschaum Raumgewicht 500 bis 900 kg/m³ 21 bis 200 kg/m³ 15 bis 50 kg/m³ Raumgewichte bei Polystyrolschäumen Folie 2

3 Treibmittel Das Treibmittel beeinflusst die Schaumdichte sowie die Zellmikrostruktur und Morphologie und bestimmt so die Eigenschaften des Schaums. Unterschieden wird zwischen Physikalischen Treibmitteln Chemischen Treibmitteln Bei der Auswahl des Treibmittels müssen deswegen Anwendungsgebiet und Formgebungsverfahren berücksichtigt werden. Folie 3

4 Schäumen mit physikalischen Treibmitteln Dispergierung von Gasen in der Polymerschmelze unter Druck Einbringung in der Homogenisierungszone z. B. CO 2, N 2, Propan, Butan, Pentan oder niedrigsiedende Flüssigkeiten wie Ethanol oder Propanol Quelle: Foam Extrusion Principles and Practice (2000) Folie 4

5 Schäumen mit chemischen Treibmitteln Einarbeitung von Chemikalien, die während der Plastifizierung des Polymers durch chemische Zersetzung Treibgase erzeugen direkte Dosierung mit Polymer meist dickwandige Formteile meist als Masterbatch auf Basis von Zitronensäure oder Bicarbonat Quelle: Kunststofffolien: Herstellung- Eigenschaften- Anwendung (2006) Folie 5

6 Marktbetrachtung Schaumkunststoffe 1,4 Mio. Tonnen Schaumkunststoffe wurden 2007 in Deutschland verarbeitet. Gesamtverbrauch Kunststoff 2007: ca. 8 Mio. Tonnen. Am häufigsten wurden Schaumkunststoffe im Bereich Bau/Dämmung eingesetzt. Weitere bedeutende Märkte sind technische Teile und Verpackungen. (Quelle: FSK) Folie 6

7 Biokunststoffmarkt heute Der Gesamtverbrauch von Biokunststoffen in Westeuropa wird 2007 auf bis t geschätzt, das sind etwa 0,2 % der gesamten Kunststoffmenge Am häufigsten wurden stärkebasierte Kunststoffe eingesetzt. Preisspanne für alle Typen: 1,50 4,50 /kg (Quelle: nova-institut) Folie 7

8 Extrusionsschäumen - Verfahren Bei der Herstellung von Schaum wird aufgeschmolzener Kunststoff im Extruder unter hohen Drücken mit Treibgas versetzt. Beim Austreten aus einer Lochdüse oder einem Breitschlitzwerkzeug expandiert der Kunststoff. Die Schaumstränge können in einem Granulator zu Schaumpartikeln gekürzt werden. Für die Herstellung geschäumter Folien wird die expandierte Schmelze in einer speziellen Vorrichtung auf die gewünschte Plattendicke kalibriert, auf das gewünschte Maß geschnitten bzw. als Folie aufgewickelt. Bild: Kunststoff Handbuch Polystyrol Folie 8

9 Extrusionsschäumen - Produkte Produkte aus Standardpolymeren: Loose-Fill Platten Trays Folien Rohre Produkte aus Biokunststoffen: Loose-Fill Trays Folie 9

10 Extrusionsschäumen Produktbeispiele PLA 2007 stellte Coopbox (Italien) erste geschäumte Verpackungstrays auf Basis von Polylactid (PLA) vor. Heute vermarktet Coopbox 4 verschiedene Trays aus XPLA unter der Bezeichnung Naturalbox. Foto: Coopbox Folie 10

11 Extrusionsschäumen Produktbeispiele Stärke Loose-Fill-Chips Kooperationsprojekte mit der Loick-Gruppe Folie 11 Herstellung von Flachfolien FNR-Förderkennzeichen 98NR088 Formteilherstellung FNR-Förderkennzeichen 04NR078 Eigenschaften von Stärkeschaum Direkter Einsatz nachwachsender Rohstoffe Wasserlöslich Geringe Abriebfestigkeit Hohe Gas- und Wasserdampfdiffusion erschwert das Schäumen

12 Extrusionsschäumen Forschung bei Fraunhofer UMSICHT»Trayherstellung auf Basis von CA«Ziel: Substitution von XPS durch Celluloseacetat (CA) als schäumfähiges (teil)biobasiertes und biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer mit hoher Wärmeformbeständigkeit 1. Prozessstufe: Schaumfolienextrusion mit chem. und physikal. Treibmitteln Projektstand: 2. Prozessstufe: Thermoformen zum Tray prinzipielle Schäumfähigkeit von CA mit chem. und physikalischen Treibmitteln positiv evaluiert prinzipielle Tiefziehfähigkeit von CA positiv evaluiert Folie 12 FKZ:

13 Extrusionsschäumen Forschung bei Fraunhofer UMSICHT»Trayherstellung auf Basis von CA«laufende Untersuchungen/Versuche zur Verschäumung mit physikalischen Treibmitteln mit der Inde Plastik GmbH und der FKuR Kunststoff GmbH Modifizierung von CA zur Verbreiterung des Verarbeitungsfensters und Einstellung einer geeigneten Schmelzerheologie Optimierung des zu verwendenden Treibmittels durch Untersuchung von Gasgemischen Einstellung der Nukleierung zur gezielten Beeinflussung der Schaummorphologie Prozessoptimierung hinsichtlich wesentlicher Prozessparameter Folie 13 FKZ:

14 Partikelschäumen Verfahren Zweistufiges Verfahren: 1. Stufe: Herstellung von vorgeschäumten Partikeln 2. Stufe Formteilherstellung 1. Befüllen 2. Schließen 3. Expandieren 4. Kühlen 5. Entformen Schließkraft Zuhaltekraft Zuhaltekraft Wärme Kühlen Folie 14

15 Partikelschäumen - Produkte Produkte aus Standardpolymeren: Formteile für Verpackungen Dämmmaterial Formteile für Automobilbau Quelle: Storopack Folie 15

16 Partikelschäumen Produktbeispiele PLA Synbra (Niederlande) hat gemeinsam mit PURAC und Sulzer Chemtech einen Partikelschaum auf Basis von PLA entwickelt. Für Herbst 2010 ist die Markteinführung des Schaums mit dem Namen BioFoam geplant. Folie 16

17 Partikelschäumen Forschung bei Fraunhofer UMSICHT Neuartiges zweistufiges Verfahren entwickelt in Kooperation mit der Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl FVT 1. Prozessstufe PGSS-Hochdrucksprühverfahren 1 zur Verkapselung eines physikalischen Treibmittels in einem Biokunststoff 2. Prozessstufe Formteilherstellung durch Treibmittelaktivierung mittels Wärmezufuhr (Wasserdampf) Kern-Hülle Matrix [Brandin, RUB] 1 PGSS-Verfahren (Particles from Gas Saturated Solutions) Folie 17

18 Partikelschäumen Forschung bei Fraunhofer UMSICHT Projektergebnisse Die Verkapselung von Wasser in PBS ist gelungen. Die Partikel sind aber nicht rieselfähig. Zum Hochdruckversprühen von hochviskosen Biokunststoffen wurden wichtige Grundlagen erarbeitet. Für den Biokunststoff PBS konnte ein Verfahrensweg zur Formteilherstellung erarbeitet werden. Biopolymer Extrusionsparameter B i, m B, x B, η B, T B, p B Treibmittel Pumpeneinstellungen T i, m T, x T, η T, T T, p T scco 2 Pumpeneinstellungen m CO2, x CO2, η CO2, T CO2, p CO2 Vom Hochdrucksprühverfahren zum Formteil Hochdrucksprühverfahren o.k. o.k. o.k. o.k. Partikel mit Treibmittel Sprühkopf mit statischem Mischer Partikeleigenschaften D, L/D, Q r, x T-P, ρ Sch-P Durchgängigkeit konnte nicht erreicht werden Zwischenschritte nicht erforderlich Vorschäumen der Partikel Vorschäumbehälter Vorschäumbedingungen T V, p V, t V Partikeleigenschaften D, L/D, Q r, x T-V, ρ Sch-V Neuer Lösungsweg o.k. Extrusion von Partikeln mit chemischen Treibmitteln und UWG Treibmittelauswahl Extrusionsparameter Partikeleigenschaften D, L/D, Q r, x T-P, ρ Sch-P Formgebungsverfahren Treibmittelschäumen Formteilbildung durch Resttreibmittel u. Diffusion Formwerkzeug Verfahrensparameter V F, T, p, t E, σ, δ Kompressions-Dekompressions-Verfahren Formteilbildung durch Elastizität der Partikel Formwerkzeug Verfahrensparameter V F, T, p, t E, σ, δ o.k. o.k. o.k. Verfahrensanalyse und relevante Prozessparameter Biokunststoff-Partikelschaum Folie 18

19 Partikelschäumen Forschung bei Fraunhofer UMSICHT Praktische Ergebnisse Partikelschaum Extrusionsgeschäumte PBS-Partikel Herstellung von Musterformteilen Musterformteil aus PBS-Partikelschaum Schäumversuchsanlage Förderhinweis: Das Forschungsvorhaben Nr N der Forschungsvereinigung VEU wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Projektabschlussbericht wurde auf der Internetseite veröffentlicht. Folie 19

20 Schaumspritzguss (TSG) - Verfahren Durch Zugabe von Treibmitteln zu Thermoplasten 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. Jede normale Spritzgießmaschine ist für das Verfahren verwendbar. Folie 20

21 Schaumspritzguss - Produkte Produkte aus Standardpolymeren: Gehäuse Technische Formteile Foto: Hüttig GmbH Folie 21

22 Fazit Biokunststoffe eignen sich wie konventionelle Kunststoffe auch für den Einsatz in Schaumapplikationen. Bei den Extrusionsschäumen sind schon länger Anwendungen auf dem Markt. Der Markteinstieg bei den Partikelschäumen steht unmittelbar bevor. Der Thermoplastschaumspritzguss wird kommen, ist aber nicht von so großer wirtschaftlicher Bedeutung. Forschung und Entwicklung werden noch weit mehr Anwendungsfelder insbesondere für mittel- und langlebige Produkte aus geschäumten Biokunststoffe eröffnen. Foto: Pixelio.de Folie 22

23 Schlussbetrachtung Biobasierte Kunststoffe weisen ein hohes FuE- Potenzial im Bereich neuer Verfahren und Produkte auf. Ein jetziger Einstieg in die Entwicklung bietet die Chance zur Technologieführerschaft. Wir müssen heute die Technologien entwickeln, um in der Zukunft wettbewerbsfähig zu sein. Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Das Autorenteam: Carmen Michels Thomas Wodke Stefan Zepnik Pia Borelbach Folie 23

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