Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Erprobung eines innovativen Inline-Dehnrheometers zur prozessnahen Materialcharakterisierung und Produktivitätssteigerung in der Schaumextrusion

Kunststoffschäume werden häufig als thermische oder akustische Isolierung sowie als gewichtsreduzierte Verpackungsmaterialien eingesetzt. Die Herstellung erfolgt oft im kontinuierlichen Schaumextrusionsprozess. Dabei hat eine Vielzahl an Material- und Prozessparametern Einfluss auf die Verschäumbarkeit. Die Molekülstruktur der Polymere etwa beeinflusst unmittelbar das Aufschäumverhalten am Werkzeugaustritt. Die Kenntnis der rheologischen Eigenschaften der Kunststoffschmelze, insbesondere der Dehnviskosität, ist daher essentiell zur erfolgreichen Herstellung anspruchsvoller geschäumter Produkte.

Während die Schmelze im Extruder und im Werkzeug primär auf Scherung belastet wird, kommt es beim Aufschäumen des Kunststoffs zu einer biaxialen Dehnbeanspruchung der Schmelze. Üblicherweise zur Materialcharakterisierung herangezogene Kennwerte wie die Scherviskosität oder MFI-Messungen lassen daher keine Rückschlüsse auf die Verschäumbarkeit eines Kunststoffs zu.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, mithilfe einer prozessnahen neuen Messmethode für Dehnviskositäten treibmittelbeladener Schmelzen umfassende Kenntnis über das Materialverhalten unter uni- und biaxialer Dehnbeanspruchung zu gewinnen und somit eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit in der Kunststoffverarbeitung zu ermöglichen. Dazu wird ein Inline-Rheometerwerkzeug entwickelt und erprobt, das unter verarbeitungstypischen Bedingungen zur Charakterisierung der Schmelzen dient. Dadurch wird die tiefgreifende und systematische Analyse der dehnrheologischen Kennwerte mit und ohne Treibmittelbeladung ermöglicht. Die ermittelten Materialeigenschaften werden mit resultierenden Produkteigenschaften korreliert. Kunststoffverarbeitende KM-Unternehmen können so ihre Materialrezeptur ohne aufwendige Versuchsreihen in der Produktion gezielt an die Prozessbedürfnisse anpassen. Dies ermöglicht eine Verringerung der Fehlproduktion sowie eine deutlich verkürzte Time-to-Market.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben konnte erfolgreich ein Inline-Dehnrheometer zur prozessnahen dehnrheologischen Materialcharakterisierung entwickelt, gefertigt und erprobt werden. Dabei wurden auf Basis einer iterativ-analytischen Berechnungsmethode die grobe Kontur des rheometrischen Fließkanals sowie die Betriebslasten abgeschätzt. Anhand von Strömungssimulationen wurde eine finale Fließkanalgeometrie ausgewählt, die dann in ein Werkzeugkonzept umgesetzt, auskonstruiert und gefertigt wurde.

Zur Erprobung kamen kommerziell erhältliche Polypropylen-Typen unterschiedlicher molekularer Struktur zum Einsatz. Zur weiteren Variation wurden Blends aus linearen und langkettenverzweigten Polypropylen (PP) hergestellt. Erstmalig konnten relative biaxiale Dehnviskositäten unter Prozessbedingungen ermittelt werden. In Abhängigkeit der Blendzusammensetzung wurden diese Werte den Dehnviskositäten von uni- und biaxial prüfenden Referenzverfahren gegenübergestellt. Am Beispiel der Schaumextrusion erfolgte abschließend die Korrelation mit der Schaumqualität physikalisch geschäumter Folie, um die Möglichkeiten und Grenzen des Dehnrheometers als Mittel zur Vorhersage der Schäumbarkeit von Materialien aufzuzeigen.