Experimentelle Untersuchungen zur Schaumextrusion mit Treibmittelgemischen und Analyse der Wirkzusammenhänge mit dimensionslosen Kennzahlen
Sven Hendriks
Bei der Herstellung von Schaumfolien im Extrusionsprozess hat das Treibmittel einen wesentlichen Einfluss auf die resultierenden Prozessgrößen und Schaumeigenschaften. Schaumfolien geringer Dichte aus Polystyrol werden meist mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen geschäumt. Aufgrund der notwendigen Sicherheitsvorkehrungen und der Umweltauswirkungen besteht ein großes Interesse daran, alternative Treibmittel wie CO2 zu verwenden. Der alleinige Einsatz von CO2 führt oft zu Wellenbildung, Offenzelligkeit oder Oberflächendefekten an der Schaumfolie und erfordert daher Modifikationen an der Prozesstechnik. Von der Herstellung von Schaumplatten ist es bekannt, das Schäumverhalten durch den Einsatz von Co-Treibmitteln (Ethanol, Aceton, Ethylacetat) zu beeinflussen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Wirkung von Treibmittelgemischen aus CO2 und organischen Lösungsmitteln bei der Herstellung von Schaumfolien zu untersuchen. Insbesondere werden die grundlegenden Wirkzusammenhänge zwischen der Treibmittelrezeptur, den Prozesseinstellungen und den Schaumfolieneigenschaften analysiert. Die Kenntnis der Wechselwirkungen kann eine systematische Beeinflussung des Schäumverhaltens ermöglichen, ohne den verwendeten Kunststoff selbst zu modifizieren.
Zur systematischen Auswertung wird außerdem ein bestehendes Prozessmodell zur Abbildung der Fließvorgänge im Extrusionswerkzeug erweitert und auf ein Ringspaltwerkzeug angewendet. Auf Basis des Modells können dimensionslose
Kennzahlen zur Beschreibung des Schäumverhaltens berechnet werden. Die Kennzahlen ermöglichen den direkten Vergleich unterschiedlicher Rezepturen, Prozesseinstellungen und Werkzeuggeometrien.
Die Untersuchungen zur Herstellung von Schaumfolien mit Treibmittelgemischen liefern umfangreiche Erkenntnisse zu den Wechselwirkungen zwischen Treibmittelrezeptur, Prozesseinstellungen, resultierenden Prozessgrößen und Schaumeigenschaften. Anhand der berechneten Kennzahlen werden die beobachteten Effekte erklärt. Insbesondere die im Werkzeug zur Nukleierung und zum Zellwachstum zur Verfügung stehende Zeit hat einen Einfluss auf die Zelldichte.
Als weiteres Beispiel für den Einsatz von Treibmittelgemischen wird die Herstellung von Schaumfolien aus Celluloseacetat (CA) mit HFO-1234ze und Co-Treibmitteln vorgestellt. Mittels des Prozessmodells gelingt es, die besonderen Effekte beim Schäumen dieser Rezeptur analytisch zu erklären.
