Schäumen

– von Kunststoffen ist eine Verarbeitungsmethode, um das Materialgewicht bzw. die Dichte zu reduzieren. Außerdem weisen Schaumstrukturen isolierende Eigenschaften auf.

Beim Schäumen wird dem Kunststoff während der Verarbeitung ein Treibmittel zugesetzt, wodurch dem Werkstoff/Bauteil eine spezifische, zweiphasige Schaumstruktur verliehen wird. Da biobasierte Kunststoffe zum Teil eine höhere Dichte als erdölbasierte Kunststoffe aufweisen, liegt es nahe, dichtereduzierende Möglichkeiten auszureizen, um verbesserte Eigenschaften zu entwickeln. Im Projekt wurde eine theoretische Betrachtung der Schäumbarkeit von Biokunststoffen durch geführt. Hier werden vorrangig die verarbeitungstechnischen Besonderheiten und Schwierigkeiten des Schäumens von Biokunststoffen aufgeführt, weshalb auch nicht auf konkrete Biokunststofftypen eingegangen wird.

Möglichkeiten und Anforderungen für Biopolymere

Grundsätzlich lassen sich auch Biopolymere auf Basis nachwachsender Rohstoffe durch den gezielten Einsatz von funktionellen Additiven in einigen Schäumverfahren verarbeiten. Der dabei erzielbare Schaum hängt von der minimal erreichbaren Dichte und Qualität des Biowerkstoffes ab. Bei der Verschäumung von (Bio-)Polymeren gelten folgende Richtsätze:

• Ein Material kann umso besser verschäumt werden, je mehr molekulare Verzweigungen es aufweist. In diesem Zusammenhang spielt die Schmelzefestigkeit des Materials eine bedeutende Rolle.
• Weist das Material einen hohen Kristallinitätsgrad auf, so verringert sich sein Verarbeitungsfenster. Eine Schaumerzeugung in kristallinen Gebieten ist ausgeschlossen.

Da beim Bioschaumstoff im Verleich zum erdölbasierten Gegen stück weitestgehend identische oder zumindest sehr ähnliche Eigen schaftsprofile vorausgesetzt werden, müssen an der Anlagentechnik keine nennenswerten maschinentechnischen Erweiterungen erfolgen. Der Optimierungsrahmen umfasst ausschließlich Rezepturanpassungen sowie Einflüsse relevanter Prozessparameter wie Temperaturen und Drücke.

Hydrolytische Auswirkung von chemischen Treibmitteln auf Biopolymere

Während beim physikalischen Schäumen weitestgehend „reine“ Treibmittel verwendet werden und deren Verhalten auf die Polymerschmelze theoretisch ermittelt werden kann, wird dies beim Einsatz von chemischen Treibmittel voraussichtlich weitaus schwieriger ausfallen. Chemische Treibmittel hinterlassen bei ihrer Zersetzungsreaktion neben dem wirksamen Treibgas auch Zersetzungsrückstände wie z. B. NH₃ oder H₂O, die sich durchaus negativ auf die zu schäumende Polymermatrix auswirken. Eine Eigenschaftenverschlechterung kann zum einen auf die chemische Reaktion zwischen Polymer und den Zersetzungsprodukten und zum anderen auf die Zusammensetzung des chemischen Treibmittels an sich zurückzuführen sein. Das chemische Treibmittel würde demnach Trägermaterialien beinhalten, welche sich auf petrochemische Polymere un problematisch, jedoch auf Biopolymere durchaus negativ auswirken.

Entgasung und Vortrocknung

Da während des chemischen Kunststoffschäumens und unabhängig von der Anlagentechnik grundsätzlich nicht entgast werden kann, sollte beim Verarbeiten hygroskopischer Biokunststoffe zusätzlich auf eine Vorbehandlung in Form einer effektiven Vortrocknung zurückgegriffen werden. Dieses Problem kann nur beim physikalischen Schäumen um gangen werden, wenn auf einer Anlage aus zwei zusammengeschalteten Extrudern, einer sogenannten Tandemanlage, geschäumt wird. Dabei ist es möglich, noch vor Einbringung des physikalischen Treibmittels im primären Extruder effektiv zu entgasen.

Thermosensitivität und Abbauverhalten

Um beim Verschäumen von biobasierten Kunststoffen thermische Schädigungen bzw. Abbaumechanismen zu unterbinden, muss bei den Prozesseinstellungen und dem Prozessaufbau wesentlich stärker achtgegeben werden. Das gilt zum einen dann, wenn nicht druck- und temperaturstabile Rohstoffe zum Einsatz kommen. Aus gleichem Grund sollte des Weiteren ein zu langer Verfahrensaufbau vermieden werden. Neben den geringeren Gebrauchstemperaturen lassen sich auf Stärke basierende Biokunststoffe zwar relativ gut verschäumen, weisen jedoch aufgrund ihrer vergleischweise hohen Neigung, Feuchtigkeit aufzunehmen, ein sehr ungünstiges Abbauverhalten auf. Dieses Verhalten grenzt den Verwendungsbereich derartiger Schaumstoffe deutlich ein.

Zusammenfassung

Das Schäumen von Kunststoffen ist auch beim Einsatz von Biokunststoffen ein komplexer Vorgang. Biobasierte Kunststoffe sind generell ähnlich verschäumbar wie herkömmliche Kunststoffe und bedürfen keiner Erweiterung der Anlagentechnik. Es gibt jedoch auf diesem Gebiet immer noch zu wenig allgemein zugängliche Verarbeitungsinformationen. Erschwert wird der Verarbeitungsprozess zusätzlich durch Besonderheiten, die manche Biopolymere mit sich bringen. So lassen sich zum einen stabile Schaumstrukturen nur dann erzeugen, wenn eine Kompatibilität/Verträglichkeit zwischen dem Biokunststoff und dem jeweils wirksamen Treibmittel gegeben ist und zum anderen können Biokunststoffe, die zur Aufnahme von Feuchtigkeit neigen, durch ihr spezifisches Abbauverhalten nicht dauerhaft für Langzeitanwendungen eingesetzt werden.

 

 

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