Rohre aus Biokunststoff Einschicht-/Dreischichtrohrextrusion

Transkript

1 Rohre aus Biokunststoff Einschicht/Dreischichtrohrextrusion Dipl.Ing. Rostislav Svidler Dipl.Ing. Michael Schwind Technische Universität Chemnitz Professur für und

2 Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen und Errichtung eines Kompetenznetzwerkes im Rahmen des Biopolymernetzwerkes bei der FNR Ein Verbundprojekt der Partner: IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe SLK Professur für und, TU Chemnitz IAP FraunhoferInstitut für Angewandte Polymerforschung SKZ Das KunststoffZentrum Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft BMEL Projektlaufzeit:

3 Informationsstand zur Verarbeitung von Biokunststoffen Cell. Cell. Reg. Deriv. PLA Extrusion Blasfolienherstellung Flachfolienherstellung Gießfolienherstellung Extrusionsblasen Tiefziehen Spritzgießen Streckblasen Faserherstellung Schäumen Vernetzen Kleben Schweißen Siegeln mechanische Bearb. Bedrucken PLA Blends Stärke Blends PHAs Bio P.ester Bio PET Bio PE Bio PA Dropin Lösungen WPCs NFKs Keine Informationen zur Verarbeitung vorhanden Wenige Informationen zur Verarbeitung vorhanden Industrielle Verarbeitung mit entsprechendem Informationsstand Nicht realisierbar 3

4 Projektziele 1. Verbesserung der Informationsbasis zum Verarbeitungsverhalten von neuartigen biobasierten Kunststoffen. 2. Entwicklung wirksamer Strukturen für einen Technologietransfer und eine effiziente Unterstützung / Beratung des Biokunststoff verarbeitenden Gewerbes (überwiegend KMU). 3. Einbindung der Projektergebnisse in das Biopolymernetzwerk bei der FNR sowie in weitere Netzwerkstrukturen. 4. Darstellung der Kompetenz der Projektpartner zur Gewährleistung einer nachhaltigen und praxisorientierten Beratungsstruktur. 4

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6 Rohre aus Biokunststoff Kunststoffrohre Anwendungen: Trinkwasser/Gasversorgung, Abwasserkanalisation, Hausinstallationen, Schutzrohre Materialien: Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), vernetztes Polyethylen (PEX), seltener Polyamid (PA) oder Polybutylenterephtahlat (PBT) Rohrtypen: Ein/mehrschichtige Rohre, Schaumkernrohre, Rohre mit Regeneratoder Funktionsschichten, Faserverstärkte Rohre sowie Wellrohre Stetig steigender Bedarf mit jährlichem Wachstum von ca. 45% pro Jahr Diagramm 1: Werkstoffanteil am deutschen Gasnetz in 2007 [DVGW e.v., Bonn] Diagramm 2: Materialverteilung am gesamten Kanalnetz in Deutschland, 2009 [DVGW e.v., Hennef] 6

7 Rohre aus Biokunststoff Motivation Ziel: Etablierung von Biokunststoffen in der Rohrextrusion Lösungsweg: Anwendungsorientierte Forschung im Hinblick auf geeignete Materialsysteme, Prozess und Werkzeuggestaltung gezielte technischtechnologische Betrachtung von Prozessen der Ein/ Mehrschichtextrusion Untersuchung der Langzeiteigenschaften im Hinblick auf Mechanik, Barriereeigenschaften oder chemische Beständigkeit ganzheitliche ökonomischökologische Betrachtung 7

8 Rohre aus Biokunststoff Durchgeführte Untersuchungen Rheologie / thermisches Verhalten Schmelzeflussindex (MFI) Viskositätsbestimmung mittel PlattePlatteRheometer Thermogravimetrische Analyse (TGA) Dynamische Differenz Kalorimetie (DSC) Untersuchung der Prozessfähigkeit / Prozessoptimierung Ermittlung spezifischer Prozessgrößen bei Ein/Mehrschichtextrusion Feststellung der Kompatibilität unterschiedlicher Biokunststoffe Prozessoptimierung Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit der Rohrqualität Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften Zugversuch nach DIN ISO

9 Rohre aus Biokunststoff Versuchsanlage zwei Einschneckenextruder Ø 30 mm (ausgelegt für Polyolefine) Konstantes und gegendruckunabhängiges Förderverhalten VakuumtankKalibrierung mit zwei nassen Kühlkammern Bandabzug und Trennvorrichtung Äquivalente Abbildung der industriellen Rohrproduktion im Labormaßstab Bild: Außenkalibrierungen [Battenfeld] 9

10 Rohre aus Biokunststoff Ringspaltwerkzeuge Dornhalterwerkzeug einschichtiges Rohr Ø 32 x 2,5 mm Einstegdornhalter mit 5 Stegen Siebkorbwerkzeug Wendelverteilerwerkzeug Pinolenwerkzeug mehrschichtiges Rohr Pinolenwerkzeug mit Stegdornplatte Ø 32 x 4 mm, 1 mm Innen/Außenschicht, 2 mm Mittelschicht Universelle Eignung für alle üblichen Thermoplaste 10

11 Rohre aus Biokunststoff Dornhalterwerkzeug eischichtiges Rohr Bild 1: Skizze eines Dornhalterwerkzeugs mit Steg oder Lochplatte als Dornhalter; 1: Mundstück, 2: Dornhalter, 3: Dorn, 4: Schmelzeeinlauf, 5: Lochplatte, 6: Stege Hauptanwendungsgebiet liegt in der Rohrextrusion von HDPE, PVC sowie PA unkritisch bzgl. der Verweilzeitverteilung und dem benötigten Druckverbrauch kritisch bzgl. bauartbedingten Fließnahtbildung Fließmarkierungen sowie Minderung der Halbzeugeigenschaften 11

12 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Untersuchte Biokunststoffe einschichtiges Rohr Polymer Bezeichnung ρ MFI [g/cm3] HDPE SHC ,961 HDPE SGD ,961 PLA NW ,23 PLA NW ,23 PLA NW ,23 PBS Bionolle ,26 PBSA Bionolle ,26 PLA+PVAc 6,7 (210 C, 2.16 kg) 0,921 (210 C, 2.16 kg) 6,5 (210 C, 2.16 kg) 7,8 (210 C, 2.16 kg) 14,7 (210 C, 2.16 kg) 1,3 (190 C, 2.16 kg) 3 (190 C, 2.16 kg) Tg Tm1/Tm2 Tc Rohstoffbasis / [ C] [ C] [ C] Abbaubarkeit 138,1 biobasiert/nicht bioabbaubar 135,7 biobasiert/nicht bioabbaubar 60,6 149,5 biobasiert/bioabbaubar 62,8 156 biobasiert/bioabbaubar 59,3 151,2 biobasiert/bioabbaubar 113,7 98,2 erdölbasiert/bioabbaubar 99 72,9 erdölbasiert/bioabbaubar teilbiobasiert/bioabbaubar Green PE, PLA, PBA und PBSA mit PVAc schlagzähmodifiziertes PLA MFI als Richtwert für die Auswahl Bestimmung der Viskosität mittels HAAKETM MARSTM PlattePlatteRheometers der Firma Thermo Fischer Diagramm 1: Viskositätsverläufe der Biokunststoffe 12

13 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Ergebnisse Biobasiertes Polyethylen (Green PE) Bild 1: Rohre aus biobasiertem Polyethylen Diagramm 1: Ergebnisse der rheologischen Untersuchungen (Verlauf des Schub/Speichermodul sowie Viskositätskurven) SGD 4960 höhere Molmasse und Polydispersität als SHC 7260 viskoseres Materialverhalten beide Typen gut extrudierbar (Rohrextrusion) bei SGD 4960 höhere Abzugsgeschwindigkeiten möglich längs verlaufende Rillen und Pittings äußeres Gleitmittel könnte Abhilfe schaffen Diagramm 2: exemplarische Ergebnisse der Zugprüfung 13

14 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Ergebnisse Polymilchsäure (PLA Ingeo) Bild 1: Rohre aus untersuchten PLATypen Diagramm 1: Ergebnisse der rheologischen Untersuchungen (Verlauf des Schub/Speichermodul sowie Viskositätskurven) PLA Ingeo 2003D/4043D/7001D Unterschiedliches Verarbeitungsverhalten bei ähnlicher Viskosität Nur Ingeo PLA 2003D für Rohrextrusion geeignet leicht gelblich, transluzent, hoher Glanz, gute Einfärbbarkeit sprödes Material Schlagzähmodifikation 14 Bild 2: mit PEFarbbatch eingefärbtes PLARohr

15 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Ergebnisse Probleme beim Verarbeiten von PLA Ingeo 4043D/7001D starke optische und qualitative Unterschiede zum Ingeo 2003D stark ausgeprägte Fließnähte und längs verlaufende Rillen sporadische Blasenbildung und Risse an den Fließnähten Ursache: niedrige Wärmeleitung des Materials ausgeprägter SaggingEffekt ungleichmäßige Wanddicke über den Rohrumfang bei Ingeo 2003D Verbesserungsbedarf hinsichtlich Schmelzviskosität physikalische/chemische Viskositätssteigerung 15

16 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Ergebnisse Polybutylensuccinat(adipat) (PBS/PBSA) Diagramm 1: Ergebnisse der rheologischen Untersuchungen (Verlauf des Schub/Speichermodul sowie Viskositätskurven) Bild 1: Rohre aus untersuchten PBS und PBSA PBS sehr gute Verarbeitbarkeit, hohe Schmelzefestigkeit PBSA ähnliche Viskosität, schwieriger zu verarbeiten sehr flexibel und schlagzäh sehr hohe biologische Abbaurate kurzlebige, dünnwandige Produkte Schlagzähigkeitsmodifikator für PLA Diagramm 2: exemplarische Ergebnisse der Zugprüfung 16

17 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Ergebnisse schlagzähmodifizierte Polymilchsäure VinylacetatEthylenCopolymer (PVAc) und PBS sind sehr effektive Schlagzähmodifikatoren für PLA ab 10% PVAc signifikante Verbesserung der Schlagzähigkeit, Schmelzstabilität und Flexibilität PVAc ist Kompatibilisator für PLA und PBS biologische Abbaubarkeit bleibt erhalten 70%PLA+30%PVAc PPähnlich 40%PLA+40%PBS+20%PVAc HDPEähnlich Diagramm 1: Vergleich der Viskosität Bild 1: Rohre aus schlagzähmodifiziertem PLA Diagramm 2: exemplarische Ergebnisse der Zugprüfung 17

18 Rohre aus Biokunststoff einschichtiges Rohr Fazit und Ausblick schlechte Gleiteigenschaften und Oberflächenqualität bei Green PE Einsatz eines äußeren Gleitmittels niedrige Viskosität bei PLA 2003D und PBSA 3001D Verarbeitung nur im untersten Temperaturbereich Untersuchungen zur effektiven physikalisch/ chemischen Viskositätssteigerung notwendig Schneller biologischer Abbau bei PBS/PBSA Eignung für kurzlebige Produkte Einstellung der Elastizität von PLA mittels PVAc und/oder PBS PP bzw. PEähnliche mechanische Eigenschaften Schäumen zur Reduzierung der Materialdichte/der Formteilmasse Diagramm 1: Ergebnisse der Zugprüfung Bild 1: Rohre aus div. Biokunststoffen 18

19 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Untersuchte Biokunststoffe Gründe für den Einsatz von Mehrschichtrohren: Kostenreduktion durch Einsatz preiswerter Rohstoffe, Regenerate oder Schäume Schicht 1 Schicht 2 Schicht 3 PLA 2003D rec. PLA 2003D PLA 2003D (70%PLA+30%PVAc) Rec. (70%PLA+30%PVAc) (70%PLA+30%PVA c) Optimierung der Rohreigenschaften oder Funktionalität Schicht 1 Schicht 2 Schicht 3 Bio PA11 PLA 2003D Bio PA11 Bio PA11 (70%PLA+30%PVAc) Bio PA11 PLA PLA PHB CP PA + PHB CP PA HDPE PBS + geplant + + geplant + + geplant geplant geplant gute Haftung ++ keine Haftung HDPE PBS ++ sehr gute Haftung Bild 1: Kompatibilitätsmatrix für Biokunststoffe [TU Chemnitz] 19

20 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Pinolenwerkzeug mit Stegdornplatte mehrschichtiges Rohr Bild 1: 3Schicht CoextrusionsPinolenwerkzeug [Noris] Bild 2: Prinzipskizze der Pinolenformen Einsatz bei Extrusion von ein /mehrschichtigen Rohren und Blasformschläuchen universelle Eignung für alle üblichen Thermoplaste Verarbeitung von Scherempfindlichen Werkstoffen in der Mittelschicht des Rohres bauartbedingte Fließnähte Fließmarkierung, Schwächung der Mechanik des Halbzeugs 20

21 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Ergebnisse PLA + recyceltes PLA Rezyklierung des PLA im Doppelschneckenextruder Viskositätsunterschiede nur im niederfrequenten Bereich Gute Verarbeitbarkeit bis 80 Gew.% PLARezyklat ausgezeichnete Kompatibilität und Haftung Sehr schmales Verarbeitungsfenster [155;165] C hervorragende Oberflächenqualität Diagramm 1: Vergleich der Viskosität 21

22 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Ergebnisse (70%PLA+30%PVAc) + recyceltes (70%PLA+30%PVAc) Rezyklierung des Materials im Doppelschneckenextruder deutliche Viskositätsunterschiede im niederfrequenten Bereich Gute Verarbeitbarkeit bis ca. 70 Gew.% Rezyklat ausgezeichnete Kompatibilität und Haftung wie bei PLA schmales Verarbeitungsfenster [155;165] C PVCHaptik und Optik, leicht verkratzbar Diagramm 1: Vergleich der Viskosität 22

23 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Ergebnisse Biobasiertes PA 11 + PLA PA 11 als chemische und physikalische Barriere trotz deutlicher Viskositätsunterschiede gute Verarbeitbarkeit bis ca. 70 gew.% PLA schmales Verarbeitungsfenster, PLA [155; 165] C und PA 11 [190; 200] C keine Haftung der Einzelschichten Diagramm 1: Vergleich der Viskosität 23

24 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Ergebnisse (70%PLA+30%PVAc) + rec. (70%PLA+30%PVAc) PLACompound als kostengünstiges Füllmaterial mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie PA11 Trotz deutlicher Viskositätsunterschiede gute Verarbeitung zum coextrudierten Rohr Gute Verarbeitbarkeit bis ca. 70 Gew.% PLACompound Verarbeitungsfenster wie bei PA11+PLARohren keine Haftung der Einzelschichten Diagramm 1: Vergleich der Viskosität 24

25 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Fazit und Forschungsaufgaben Verbesserung der Haftung zwischen Einzelschichten Untersuchungen zum Schäumen der Mittelschicht Reduzierung der Dichte und signifikanter Kostenersparnis weiterführende Untersuchungen zum Einarbeiten von Regeneratschichten Kombinationen von biobasierten und petrochemischen Kunststoffen Untersuchungen zur Funktionalitäts/Performancesteigerung mittels der Kombination von Bio und Erdölkunststoffen Verbesserung der Diffusionssperrwirkung gegenüber Wasser(dampf), Erzeugung von SlipSchichten (Gleitschicht), Einarbeitung von Prüfschichten (z.b. Leckageprüfung) Bild 1: Coextrudierte Biokunststoffrohre 25

26 Dipl.Wi.Ing. Sebastian Buschbeck Institut für Professur und Forschungsbereich Biokunststoffe und Naturfaserverbunde Reichenhainer Straße 31/33 Raum Chemnitz Telefon: Telefax:

27 Rohre aus Biokunststoff mehrschichtiges Rohr Durchgeführte Untersuchungen Rheologie / thermisches Verhalten Schmelzeflussindex (MFI) Viskositätsbestimmung mittel PlattePlatteRheometer Thermogravimetrische Analyse (TGA) Dynamische Differenz Kalorimetie (DSC) Untersuchung der Prozessfähigkeit / Prozessoptimierung Ermittlung spezifischer Prozessgrößen bei Ein/Mehrschichtextrusion Feststellung der Kompatibilität unterschiedlicher Biokunststoffe Prozessoptimierung Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit der Rohrqualität Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften Zugversuch nach DIN ISO