Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Aufbau eines verbesserten Material- und Prozessverständnisses für die Herstellung physikalisch geschäumter Mehrschichtblasfolien durch die Identifizierung von Wirkzusammenhängen zwischen der Materialstruktur und den Schaumeigenschaften

Eine Möglichkeit zur Rohstoffeinsparung bei der Blasfolienextrusion besteht in der Herstellung geschäumter Mehrschichtfolien. In dem IGF-Vorhaben 18977 N konnte eine solche Technologie bereits erprobt werden. Gewünschte mechanische Eigenschaften können bisher nur durch eine Überdimensionierung erreicht werden, da bislang keine präzise Auslegung aufgrund des fehlenden Wissens über die Wirkzusammenhänge zwischen der Molekularstruktur des Kunststoffes und dem Schäumvorgang in der Blasfolienextrusion erfolgen kann.

Das Ziel dieses Vorhabens besteht daher in der Charakterisierung dieser Wirkzusammenhänge. Hierzu werden Untersuchungen mit verschiedenen blasfolientypischen Polyolefinen durchgeführt, die hinsichtlich ihrer Molekülstruktur und Materialeigenschaften charakterisiert werden. Anschließend werden Extrusionsversuche durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Materialstruktur, Prozessführung und Schaumeigenschaften zu bestimmen. Zudem werden für die unterschiedlichen Materialien Empfehlungen für die Prozessführung abgeleitet. Durch einen Vergleich von Schaumstruktur und molekularem Aufbau des Kunststoffes wird die Übertragbarkeit auf andere Materialien vereinfacht. Für eine weitere Steigerung der Kosteneffizienz der Folienherstellung wird zusätzlich der Einsatz von Rezyklat untersucht.

Folienhersteller, die größtenteils kmU sind, profitieren von dem Vorhaben, da sie die Entwicklungskosten des benötigten Prozesswissens nicht selbst aufbringen können. Mit dem Aufbau eines besseren Prozessverständnisses können sie diese Technologie zur Nachrüstung von bestehenden Produktionsanlagen einsetzen, um mit geringen Investitionen ihr Produktportfolio auf geschäumte Mehrschichtblasfolien zu erweitern. Da für gute Schaumqualitäten geeignete Polymere sowie Nukleierungsmittel erforderlich sind, profitieren zusätzlich Additiv- und Materialhersteller, da sich der Einsatzbereich ihrer Produkte erweitert.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurden systematisch unterschiedliche Materialien der Polyolefingruppen PE-LD, PE-LLD, PE-HD sowie PP ausgewählt und hinsichtlich ihres molekularen Aufbaus charakterisiert. Die Materialien zeigten innerhalb der Materialtype große Unterschiede in Bezug auf Molekulargewicht, -verteilung, Verzweigungsgrad und Dehn- und Scherviskosität.

Für das Erreichen einer guten Zellstruktur wird vielmals auf den Einsatz von Nukleierungsmitteln zurückgegriffen. Daher wurden für die unterschiedlichen Materialien zudem geeignete Nukleierungsmittel identifiziert und erprobt. Hierbei stellte sich ein talkumbasiertes Nukleierungsmittel als ideal heraus und erzielte die feinzelligste Schaumstruktur. Die Schaumstruktur ist dabei neben den Materialeigenschaften auch von der Prozessführung abhängig. Den größten Einfluss auf die Dichtereduktion sowie Schaummorphologie nehmen die Prozessparameter Schmelzetemperatur und Schichtdickenverhältnis zwischen Außen- und Mittelschicht.

In einem weiteren Schritt wurde ein Vergleich zwischen konventionell hergestellten und geschäumten Dreischichtfolien vorgenommen, um die Rohstoffeinsparung und den wirtschaftlichen Vorteil geschäumter Folien zu ermitteln. Als Ergebnis ergab sich eine Gewichtseinsparung von zwei Dritteln bei einer massenunabhängigen Steigerung der Zugfestigkeit sowie fünffachhöherer Isolationsfähigkeit.

Bei der Ermittlung der Wirkzusammenhänge zwischen molekularen Aufbau des Kunststoffes und der Schaummorphologie konnte ein Zusammenspiel der verschiedenen Materialcharakterisierungskennwerte festgestellt werden. Generell ließen sich mit den Materialien PE-HD und PP aufgrund ihrer niedrigen Dehnviskosität und damit verbundenen schlechten Schmelzefestigkeit keine geschäumte Mehrschichtblasfolie herstellen. Bei den Materialien PE-LD und PE-LLD zeigte sich ein länger verzweigtes Material mit hoher Dehnviskosität als ideal.