Bei der Schaumextrusion werden hohe Expansionsraten und eine homogene Porenstruktur erzielt, wenn das Treibmittel gleichmäßig in die Polymerschmelze eingemischt und die treibgasbeladene Schmelze vor dem Austritt aus der Düse präzise abgekühlt wird. In diesem Zusammenhang wird die Nutzung eines Planetwalzenextruders als Misch- und Kühlextruder für die Schaumextrusion ganzheitlich charakterisiert. Unter Verwendung von verdichtetem Kohlendioxid als Treibmittel werden mit der konfigurierten Schaumextrusionsanlage PLA-Schäume mit einer Porosität von über 98 % hergestellt. Die Einflüsse der Verfahrensparameter auf die Schaumeigenschaften werden diskutiert. Zur Erzielung besonders hochporöser Schäume sind hohe Treibmittelbeladungen sowie hohe Druckentspannungsraten und damit auch Polymermassenströme erforderlich.
Die Charakterisierung der Strömung und Durchmischung im Planetwalzenextruder erfolgt einerseits mithilfe numerischer Strömungssimulationen und andererseits durch die Visualisierung mit einem im Rahmen dieser Arbeit angefertigten transparenten Modell des Planetwalzenextruders. Demnach variieren die Transport- und Mischeigenschaften des Extruders je nach gewählter Geometrie und Anzahl der Planetspindeln. Anhand der vorgestellten Modelle wird eine gezielte Auswahl von Spindelkonfigurationen für verschiedene Prozessaufgaben ermöglicht. Insgesamt werden die hohen Expansionsraten und die feinzelligen homogenen Porenstrukturen bei der Schaumextrusion auf die starke Durchmischung im Planetwalzenextruder zurückgeführt, die sich aus dem hohen Dehnströmungsanteil und einem häufigen Wechsel der Strömungsform ergibt.
Aktualisiert: 2021-03-25
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Das Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur Herstellung von hochwärmeisolierenden Fassadenelementen für Gebäude und die Fertigung dieser in einem einzigen Produktionsschritt. Die separate Betrachtung des Schäumprozesses zeigte, dass mit der eingesetzten Anlage, bestehend aus einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder, einer Zahnradpumpe, zwei Kühlmischern und einer Extrusionsdüse eine hohe Schaumgüte erzielt werden kann. Dabei entsprach die erreichte Wärmeleitfähigkeit des Schaums einem guten Wärmedämmbereich. Die Analyse der Profilextrusion ergab, dass die für das Schäumen erforderlichen 80 bar durch eine Werkzeugentlüftung und eine Dornverlängerung des Extrusionswerkzeugs erreicht werden können. Trotz dieser positiven Ergebnisse blieb die Schaumbildung beim Ausschäumen des Profils hinter den Erwartungen zurück, da beim bisherigen Werkzeugkonzept die Temperatur des Dorns nicht gezielt beeinflusst werden konnte. Dadurch konnten im Rahmen des Projekts keine voll ausgeschäumten Profile hergestellt werden.
Neben der Profilherstellung wurde auch das Schweißen als Nachfolgeschritt bei der Fensterherstellung zur Übertragung des Coextrusionsverfahrens in die industrielle Praxis betrachtet. Die Versuche zeigten jedoch, dass der Schaum durch die Wärmeeinwirkung des Heizelements kollabiert und sich aus der Fügezone zurückzieht. Hierdurch wird verhindert, dass das Polystyrol in die lastübertragende PVC-Struktur eindringt.
Mit einer anwendungsbezogenen Nachhaltigkeitsanalyse konnte abschließend dargestellt werden, dass trotz der zahlreichen getroffenen Annahmen der Einsatz von Polystyrolschaum aus ökobilanzieller Sicht lohnenswert ist, da die Energieeinsparung der Nutzungsphase die Mehraufwendungen in der Herstellung bei weitem übersteigt.
Aktualisiert: 2020-08-20
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