E-PBT Partikelschaumperlen Foto: Neue Materialien Bayreuth

Temperaturbeständigkeit

Plastics in the Future

Wenn EPP und EPS ins Schwitzen kommen – In Bayreuth wird ein neuartiger Partikelschaum auf Basis PBT für den Einsatz bei Temperaturen bis zu 200  °C entwickelt.

Partikelschäume bestehen aus Schaum­perlen auf Basis thermoplastischer Kunststoffe. Sie weisen Dichten im Bereich von circa 20 bis 200 g/l auf und zeichnen sich durch sehr gute spezifische mechanische Eigenschaften, gutes Dämpfungsverhalten, hohe thermische Isolierfähigkeit und ein enormes Leichtbaupotenzial aus. Derzeit sind vor allem Partikelschäume aus Polystyrol (EPS) und Polypropylen (EPP) am Markt etabliert. Die Verarbeitung der Schaumperlen zu Formteilen findet in sogenannten Formteil­automaten statt, in denen die einzelnen Partikel mithilfe von Wasserdampf unter Druck zu Formteilen verschweißt werden.

30 Minuten mindestens bleibt E-PBT, im Gegensatz zu EPS und EPP, bei 200 °C form- und dimensionsstabil. Die Formteile aus E-PBT zeichnen sich somit durch höhere thermische Belastbarkeit gegenüber den konventionellen EPP- und EPS-Partikelschäumen aus.

Die Partikelschaumverarbeitung bietet gegenüber dem Extrusionsschäumen den Vorteil, dass sehr komplexe, dreidimensionale Strukturen bei geringsten Dichten von bis zu 20 g/l direkt in Endkontur realisiert werden können. Aufgrund des beschriebenen Eigenschaftsprofils der Partikel­schaumstoffe ist deren Einsatzspektrum sehr weitläufig und umfasst neben dem Verpackungssektor, Sport- und Freizeitanwendungen vor allem Automotiveanwendungen.

REM-Aufnahme eines verschweißten E-PBT-Partikelschaums Foto: Universität Bayreuth
REM-Aufnahme eines verschweißten E-PBT-Partikelschaums Foto: Universität Bayreuth

Allerdings sind die derzeit am weitesten verbreiteten Schaumstoffe EPS und EPP in Hinblick auf ihren Temperatureinsatzbereich limitiert. Bei Temperaturen oberhalb von 90 °C fallen die mechanischen Eigenschaften der genannten Materialien drastisch ab. In vielen technischen Anwendungen, zum Beispiel tragenden und gleichzeitig thermisch isolierenden Strukturen im Motorraum eines Fahrzeugs, sind jedoch Dauergebrauchstemperaturen von mehr als 100 °C erforderlich. Bislang fehlen für diese Einsatzzwecke wirtschaftliche Schaumlösungen mit geringer Dichte und gleichzeitig ausreichender thermischer Beständigkeit.

PBT als Ausgangsmaterial

Partikelschäume auf Basis technischer Thermoplaste können aufgrund der höheren thermischen Beständigkeit dieser Polymere gegenüber den Commodities Polypropylen und Polystyrol eine vielversprechende Alternative bieten. Polybutylenterephthalat (PBT) weist eine mit Polyamid (PA) vergleichbare thermische Beständigkeit auf, die Materialkosten des Polyesters PBT liegen gleichzeitig aber etwa 10 % niedriger.

Auf dem Weg zur Herstellung von Formteilen aus PBT-Partikelschäumen waren jedoch mehrere Hürden zu überwinden. Insbesondere das bei teilkristallinen Kunststoffen aufgrund des schmalen Schmelzbereichs enge Prozessfenster und die niedrige Schmelzefestigkeit stellten Herausforderungen dar.

In enger Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe an der Universität Bayreuth und der Neue Materialien Bayreuth GmbH, einer Landesforschungseinrichtung des Freistaats Bayern, konnten diese Herausforderungen in Material- und Prozessentwicklung Hand in Hand gelöst werden und damit die Herstellung von Partikelschäumen auf Basis des technischen Thermoplasten PBT und deren Verschweißung zu Formteilen erstmals realisiert werden.

Vom Granulat zur Schaumperle

Den Forschern am Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe gelang es, durch chemische Modifikation des PBT-Rohmaterials dessen Molekulargewicht zu erhöhen und Verzweigungen in die Kettenstruktur einzubauen. Geringe Modifikatorkonzentrationen reichen aus, um das rheologische Verhalten so anzupassen, dass sich das PBT in der Schaumextrusion prozessstabil und reproduzierbar verarbeiten lässt. Die Schaumperlen werden unter Verwendung der Kombination eines Extruders mit einer Unterwassergranulierung (UWG) hergestellt. Die gasbeladene Schmelze wird am Ende des Kühlextruders durch eine Lochplatte extrudiert, hinter der sich ein rotierendes Messer befindet. Dort findet ein Druckabfall statt, der zum Aufschäumen des schmelzeförmigen Kunststoffs führt. Auf diese Weise entstehen kontinuierlich aus der mit Treibmittel beladenen Schmelze runde Schaumperlen, die vom Wasserstrom abgeführt werden.

Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt ist Geschäftsführer der Neue Materialien Bayreuth GmbH und Lehrstuhlinhaber für Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth. Foto: Neue Materialien Bayreuth
Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt ist Geschäftsführer der Neue Materialien Bayreuth GmbH und Lehrstuhlinhaber für Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth. Foto: Neue Materialien Bayreuth

„Mit E-PBT eröffnen wir die Möglichkeit, geometrisch komplexe und gleichzeitig extrem leichte Partikelschaumformteile für Dauer­einsatztemperaturen bis circa 170 Grad Celsius wirtschaftlich herzustellen.“

Durch das gezielte Zusammenwirken von Materialmodifikation und Prozessoptimierung konnten hohe Expansionsraten erreicht werden, so dass die Dichte der Perlen bis auf 130 g/l reduziert werden konnte. Gleichzeitig weisen die Schaumpartikel eine äußerst gleichmäßige und feinzellige Schaummorphologie auf..

Von der Perle zum Formteil

Das Verschweißen der einzelnen Schaumpartikel zu einem fertigen Formteil, das so­genannte Formschäumen stellte eine weitere Herausforderung dar. Aufgrund des höheren Schmelztemperaturbereichs von PBT (circa 220 °C) im Vergleich zu Polypropylen (circa 160 °C) sind für den technischen Thermoplasten höhere Dampfdrücke zur Verschweißung der Perlen erforderlich. Die üblicherweise aus Aluminium hergestellten Partikelschaumwerkzeuge sind für diese Prozessbedingungen nicht geeignet. Daher wurde bei der NMB ein neuartiges Partikelschaumwerkzeug aus Edelstahl konzipiert, welches Dampfdrücken bis 25 bar widersteht (maximal 5 bar sind derzeit bei der EPP-Verarbeitung Stand der Technik). Des Weiteren galt es, die Prozess­führung gezielt anzupassen, so dass der Dampf das Formnest gleichmäßig durchströmt und für eine homogene Verschweißung der Bauteile mit einer Dicke von bis zu 60 mm sorgt. Außerdem wurden die für das Verschweißen erforderlichen Dampfdrücke systematisch ermittelt. In Prozessstudien konnte gezeigt werden, dass die Herstellung extrem leichter Bauteile aus E-PBT mit einem Raumgewicht von circa 150 g/l in einer Prozesszeit von etwa 180 s möglich ist.

Eigenschaften und Potenziale

Als äußerst positiv kann die Verschweißungsgüte im Formteil bezeichnet werden. Die Morphologie weist kaum Zwickelvolumina, das heißt Fehlstellen im Formteil, auf. Neben dem positiven Effekt auf die Kerbwirkung und das Rissausbreitungsverhalten bedingen geringe Zwickelvolumina auch homogene, glatte Oberflächen.

E-PBT-Schaumplatte Foto: Neue Materialien Bayreuth
E-PBT-Schaumplatte Foto: Neue Materialien Bayreuth

Die Formteile aus E-PBT zeichnen sich insbesondere durch höhere thermische Belastbarkeit gegenüber den konventionellen EPP- und EPS-Partikelschäumen aus. Es konnte anhand der Drucksteifigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur die um circa 100 K höhere Temperaturbeständigkeit der mechanischen Eigenschaften von E-PBT gegenüber EPP belegt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass E-PBT im Gegensatz zu EPS und EPP bei 200 °C für mindestens 30 min form- und dimensionsstabil bleibt.

Mit dem technischen Partikelschaum E-PBT eröffnen sich somit nun zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten: Ein potenzielles Hauptanwendungsgebiet liegt im Bereich Automotive. In diesem Sektor sind EPP-Partikelschäume schon sehr weit verbreitet. Durch den Einsatz von PBT können die Partikelschäume nun aber deutlich näher am Motor verbaut werden. Dies ist in Zeiten immer kompakter werdender Bauweisen der Motorräume von großem Vorteil, zumal durch den Einsatz von Partikelschäumen gleichzeitig eine signifikante Gewichtsreduktion der Isolationslösungen erzielt werden kann. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung in thermoplastischen Strukturbauteilen: In Verbindung mit faserverstärkten thermoplastischen Deckschichten können sortenreine Sandwichverbunde realisiert werden, welche vor allem in Bezug auf Recyclingfähigkeit große Vorteile gegenüber Hybridsystemen bieten. Die herausragenden thermischen Eigenschaften führen zur Beständigkeit in KTL-Lackierprozessen. Weitere Anwendungsfelder für E-PBT-Partikelschaumbauteile sind überall dort zu sehen, wo Isolationsaufgaben bei Temperaturen zwischen 100 °C und 200 °C zu lösen sind.

Ausblick

Auf den bisherigen Ergebnissen aufbauende Forschungsarbeiten zielen darauf ab, einen breiteren Formteildichtebereich abbilden zu können. Besonders die Realisierung noch niedrigerer Dichten kann dazu beitragen, zusätzliche Einsatzgebiete zu ermöglichen.

Außerdem gilt es, die entwickelte Werkzeugtechnologie zu optimieren und damit die erzielbaren Zykluszeiten weiter zu verringern.

Der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe beschäftigt sich zudem bereits seit mehreren Jahren mit der Entwicklung flammgeschützter Polyester (unter anderem PBT). Die fundierten Erfahrungen können künftig für die Entwicklung flammgeschützter E-PBT-Typen ausgebaut werden.

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Fazit

Die Partikelschaumtechnologie ermöglicht die Fertigung komplexer dreidimensionaler Isolations­körper bei gleichzeitig extrem geringer Dichte. Die vorliegende Entwicklung zeigt eindrucksvoll, dass wirtschaftliche Materialinnovationen durch das synergistische Zusammenwirken aller Disziplinen entlang der gesamten Prozesskette vom Granulat zum Formteil möglich sind. Das vorgestellte E-PBT stellt einen neuartigen Partikelschaum dar, der den thermischen Einsatzbereich konventioneller Partikelschäume (unter anderem EPS und EPP) deutlich erweitert.

Die Autoren sind Mitarbeiter der Neue Materialien Bayreuth GmbH: M. Eng. Michael Fafara,  wissenschaftlicher Mitarbeiter, M. Sc. Tobias Standau,  wissenschaftlicher Mitarbeiter, Dr.-Ing. Thomas Neumeyer,  Leiter Geschäftsbereich Kunststoffe, Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt,  Inhaber des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe an der Universität Beayreuth und Geschäftsführer der Neue Materialen Bayreuth GmbH

 

 

Die Neue Materialien Bayreuth GmbH
Die Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB) ist eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung, die im Themenfeld Leichtbau für Kunststoffe, Metalle sowie faserverstärkte Verbundwerkstoffe neuartige Materialvarianten und die damit verbundenen Verarbeitungsverfahren entwickelt. Weiterhin schafft die Einrichtung anwendungsnahe Lösungen, um vorhandene Werkstoffe und Produktionsprozesse anwendungsbezogen zu optimieren.
Die Neue Materialien Bayreuth bietet unter einem Dach zudem ein umfangreiches Spektrum an Dienstleistungen für die Werkstoffanalytik und Bauteilprüfung mit Einsatz neuester Verfahren und Labortechnik.
Neben F+E-Arbeiten für Industrieunternehmen in direkter Kooperation oder im Rahmen von öffentlich geförderten Verbundprojekten übernimmt die Forschungseinrichtung Auftragsfertigung für Prototypen- und Kleinserien sowie Werkzeugabmusterungen.
Arbeitsschwerpunkte für Kunststoffe sind geschäumte und faserverstärkte Thermoplaste sowie Hochleistungsverbundwerkstoffe. Im Bereich der metallischen Werkstoffe liegt der Fokus auf generativer Fertigung, thermischem Spritzen sowie Warmumformen auf Basis der Kontakterwärmung.
Das besondere Merkmal von NMB ist die hochmoderne Anlagentechnik, die Untersuchungen sowohl im Industriemaßstab als auch im Labormaßstab ermöglicht (zum Beispiel für Scale-up). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die generierten Lösungen in eine direkte Anwendbarkeit in der industriellen Praxis münden. Bei Bedarf kann bei den Untersuchungen die gesamte Prozesskette abgedeckt werden.

 

Anlaufbild: Neue Materialien Bayreuth