Mehrschicht-Blasfolien physikalisch schäumen

Bei der Herstellung von Packmitteln wie Kunststoff-Folien machen die Materialkosten mit bis zu 78 Prozent den größten Anteil an den Herstellkosten aus [1]. Einsparungen beim Materialeinsatz bieten daher das größte Potenzial für Kosteneinsparungen, zum Beispiel durch das Schäumen des Kunststoffs und der damit einhergehenden Verminderung der Foliendichte. In einem Forschungsvorhaben haben Mitarbeiter am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen ein solches, neuartiges Herstellverfahrens für physikalisch geschäumte Mehrschichtblasfolien entwickelt und erforscht.

Anlagenaufbau zum Schäumen der Blasfolien

Das Schäumen der Mittelschicht erfolgt mit Hilfe des Optifoam-Systems von Promix Solutions aus Winterthur (Schweiz), das an den Extruder der mittleren Folienschicht angeflanscht wird (Bild 1). Eine speziell entwickelte Fluidinjektionsdüse, die aus einem Ringspalt mit beidseitig porösen Wänden aus Sintermetall besteht, stellt den Kern des Systems dar. Das Sintermetall hat eine semipermeable Oberfläche; dies ermöglicht die Injektion des Treibmittels in die Schmelze und verhindert gleichzeitig das Eindringen von Kunststoffschmelze in die Treibmittelzufuhr. Anschließend homogenisiert ein flüssigtemperierter statischer Mischer das Schmelze-Treibmittel-Gemisch. Der Mischer ist öltemperiert und kompensiert die verringerte Viskosität aufgrund der Treibmittelbeladung durch eine Senkung der Temperatur.

Feinzellige Schaumstruktur – aber wie?

Entscheidende Fragestellung bei dieser modifizierten Verfahrenstechnik ist, wie eine möglichst feinzellige Schaumstruktur erreicht werden kann. Die Schaumstruktur ist von einer Vielzahl verschiedener Parameter abhängig: Dies können sowohl prozesstechnische Parameter sein – wie der Massendurchsatz, Druck, Temperatur, Aufblas- und Abzugsverhältnis – oder materialseitige Parameter, etwa das eingesetzte Polymer, Nukleierungsmittel oder das Treibgas. Die umfangreichen Versuche am IKV haben diese Zusammenhänge in wesentlichen Zügen charakterisiert; im Folgenden werden die Möglichkeiten zur prozess-seitigen Beeinflussung der Schaumstruktur näher beschrieben.

Die Extrusionsversuche erfolgten an einer Blasfolienanlage der Firma Kuhne Anlagenbau aus St. Augustin. Sie setzt sich zusammen aus zwei 45 mm Extrudern (L = 24 D) und einem 35 mm Extruder (L = 20 D). Alle drei Extruder sind mit einer gravimetrischen Durchsatzregelung der Firma Plastcontrol aus Remscheid ausgerüstet. Die verwendeten Schnecken besitzen sowohl Scher- als auch Mischelemente und sind als 3-Zonen-Schnecken ausgeführt. Der äußere Düsendurchmesser des Blaskopfes beträgt 80 mm, die Spaltweite ist variabel (0,7 bis 1,5 mm). Für die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter wurde die Materialzusammensetzung konstant gehalten. Die beiden Außenschichten der Folie setzten sich jeweils zu 70 Prozent aus PE-LLD und zu 30 Prozent PE-LD zusammen. Beide Materialien besitzen einen Schmelzindex (MFI) von etwa 1 g/10 min bei 190 °C und 2,16 kg, um dem Aufschäumen der Mittelschicht durch die höhere Viskosität entgegenzuwirken.

Um ebenfalls ein zu langes Schaumwachstum der Mittelschicht zu vermeiden, wurde – ähnlich der Außenschicht – für die Mittelschicht zunächst ein PE-LD mit einem MFI vonetwa 1 g/10 min gewählt. Jedoch erreichte der Druck des Optifoam-Systems durch den geringen MFI der Mittelschicht schon bei geringen Durchsätzen die zugelassene Druckbegrenzung, weshalb für die Mittelschicht ein PE-LD mit einem MFI größer 1 g/10 min eingesetzt wurde. Als Nukleierungsmittel wurde der Mittelschicht 2 Gewichtsprozent Talkum FPE 50 T der Firma A. Schulman aus Kerpen und 1 Gewichtsprozent Hydrocerol der Firma Clariant aus Muttenz in granularer Form beigemischt. Das FPE 50 T besteht zu 50 Prozent aus Talkum, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 12 µm. Hydrocerol ist ein chemisches Treib- und Nukleierungsmittel, welches sich besonders gut für die Herstellung feinzelliger Schäume eignet. Dieses wurde nur in geringer Dosis zugeführt, um den Prozess der Blasenbildung zu unterstützen. Im Folgenden wird der Einfluss des Druckgradienten und des Massendurchsatzverhältnisses der unterschiedlichen Schichten auf die Schaumstruktur analysiert.

Bild 2: Einfluss des Druckverlustes am Düsenaustritt auf die Schaumstruktur (Zellgröße) in Abhängigkeit unterschiedlicher Massendurchsätze: Je höher der Druckgradient, umso kleiner werden die Schaumzellen. (Bildquelle: IKV Aachen)

Einfluss des Druckgradienten

Besonders der Druckgradient am Düsenaustritt ist entscheidend für eine feinzellige Schaumstruktur. Dabei gilt: Je höher der Druckgradient, umso höher ist die Zellnukleierung und desto kleiner sind die sich ausbildenden Schaumzellen. Bild 2 zeigt die Zellgröße der Mittelschicht pM für unterschiedliche Massendurchsätze für einen Düsenspalt DDS von 1,5 mm und einer Bügelzonenlänge LB von 4 mm in Abhängigkeit des Drucks am Ende des Extruders.

Mit steigendem Massendurchsatz, welcher eine Druckerhöhung zur Folge hat, nimmt die Zellgröße ab. Der Grund dafür liegt an der Nukleierungsrate, die exponentiell mit dem Druckabfall steigt [2]. Neben dem Massendurchsatz lässt sich der Druckgradient ebenfalls durch die Düsengeometrie beeinflussen. Nachfolgend wurde daher der Einfluss des Düsenspalts und der Bügelzonenlänge auf den Druckgradienten und damit auf die Schaumstruktur analysiert. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse einer analytischen Berechnung des Druckverlusts in der Düse für die untersuchten Düsengeometrien mithilfe der Hagen-Poiseuille-Gleichung [3].

Tabelle 1: Analytische Berechnung des Druckverlusts und des Druckgradienten bei einem Gesamtmassendurchsatz von 8,1 kg/h.

Zusätzlich ist der Druckgradient dargestellt. Dieser wurde mit Hilfe des Druckverlusts, der Düsengeometrie, der Dichte und des gesamten Massendurchsatzes berechnet. Sowohl kleinere Düsenspalte als auch längere Bügelzonenlängen führen zu einer Erhöhung des Druckverlustes und damit zu einer Erhöhung des Druckgradienten, welcher für eine hohe Zellnukleierung notwendig ist. Für eine Validierung der berechneten Druckverluste wurden Versuche mit den in Tabelle 1 aufgeführten Düsengeometrien bei gleichen Massendurchsätzen durchgeführt. Ein Vergleich der absoluten Druckverluste ist jedoch aufgrund eines fehlenden Druckaufnehmers kurz vor Düsenaustritt nicht möglich, sodass für die Validierung stattdessen der Extruderdruck der mittleren Schicht gemessen wurde. Bild 3 zeigt die Zellgröße über dem Druck im Extruder der Mittelschicht in Abhängigkeit der verschiedenen Düsengeometrien bei einem Massendurchsatz von 8,1 kg/h.

Bild 3: Einfluss des Druckverlustes auf die Zellgröße in Abhängigkeit unterschiedlicher Düsengeometrien: Kleine Düsenspalte und lange Bügelzonenlängen erhöhen den Druckgradienten und ergeben kleinere Zellgrößen. (Bildquelle: IKV Aachen)

Der analytisch berechnete Einfluss der Düsengeometrie auf den Druckverlust im Werkzeug aus Tabelle 1 deckt sich in etwa mit dem in Bild 3 gezeigten Einfluss der Düse auf den Extruderdruck. So liegen die Drücke mit Düsenspalten DDS von 0,7 mm (bei LB = 4 mm) und 1 mm (bei LB = 8 mm) sowohl in der Berechnung als auch bei der Messung auf einem ähnlichen Niveau. Ähnliches gilt für die Düsengeometrien bei DDS = 1 mm / LB = 4 mm und DDS = 1,5 mm / LB = 8 mm. Der Unterschied zwischen den beiden Druckniveaus beträgt sowohl in der Berechnung als auch bei der Messung ungefähr 10 bar. Geringe Schwankungen des Massendurchsatzes während der Versuche können zu den dargestellten geringen Abweichungen führen. Für die Zellnukleierung ist der Druckgradient über dem Düsenaustritt ausschlaggebend. Bei gleichen Massendurchsätzen aber unterschiedlichen Düsengeometrien ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze, wodurch sich die Zeit für den Druckabfall und somit der Druckgradient verändert. Werden daher die Druckgradienten der unterschiedlichen Düsengeometrien aus Tabelle 1 mit den Zellgrößen aus Bild 3 verglichen, so ergeben sich mit steigenden Druckgradienten kleinere Zellen. Die kleinsten Zellen ergeben sich bei einer Düsengeometrie von DDS = 1 mm / LB = 8 mm, welcher nach Tabelle 1 zu dem größten Druckgradienten von 43,722 Pa/s führt.

Bild 4: Einfluss des Massendurchsatzverhältnisses MV auf die Zellgröße bei konstanten Druckgradienten: Eine Erhöhung des MV verändert die Zellgröße kaum; somit ist es der Druckverlust, der die Zellgröße wesentlich beeinflusst. (Bildquelle: IKV Aachen)

Einfluss des Massendurchsatzverhältnisses

Im Folgenden wird der Einfluss des Massendurchsatzverhältnisses (MV) auf die Schaumstruktur untersucht. Weil der Druckgradient einen großen Einfluss auf die Schaumstruktur hat, wurden die Versuche bei einem konstanten Druck des Extruders der Mittelschicht und einem nahezu gleichen Gesamtmassendurchsatz von insgesamt 11 kg/h durchgeführt. Bild 4 zeigt die Zellgröße über dem Massendurchsatzverhältnis MV. MV entspricht hierbei dem Quotienten aus dem Massendurchsatz der Mittelschicht  und der Außenschichten.

Eine Erhöhung des MV verändert die Zellgröße kaum. Somit scheint lediglich der Druckverlust die Zellgröße zu beeinflussen und nicht das Massendurchsatzverhältnis. Dies ist für die Herstellung von geschäumte Mehrschicht-Blasfolien geringer Dichte von hoher Bedeutung: Bild 5 zeigt die Gesamtfoliendichte in Abhängigkeit zunehmender Durchsatzverhältnisse bei einem konstanten Druck von ebenfalls 270 bar.

Bild 5: Einfluss des Massendurchsatzverhältnisses (MV) auf die Foliendichte bei konstanten Druckgradienten: Durch steigende MV nimmt die Foliendichte bei gleichen Zellgrößen ab. (Bildquelle: IKV Aachen)

Durch steigende Massendurchsatzverhältnisse nimmt die Foliendichte bei gleichen Zellgrößen ab. Die Abnahme der Dichte ist dabei auf die im Vergleich zur Schaumschicht reduzierte kompakte Außenschicht zurückzuführen. Eine beliebige Steigerung des MV ist jedoch nicht möglich, weil es durch die verschiedenen Durchsatzverhältnisse zwischen Mittel- und Außenschicht zu Strömungsunterschieden kommt, welche bei zu großen Differenzen zu Fließinstabilitäten führen, sodass MV > 2 nicht überschritten werden sollten.

Schaumstruktur und mechanische Eigenschaften

Nachdem zuvor verstärkt auf die Möglichkeiten zur Herstellung einer feinzelligen Schaumstruktur eingegangen wurde, erfolgte im nächsten Schritt die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Schaumstruktur und den mechanischen Folieneigenschaften. Für das Erreichen möglichst hoher mechanischer Eigenschaften sind kleine Zellgrößen anzustreben. Weil die eingebrachte Schaumstruktur die mechanischen Folieneigenschaften im Vergleich zu einer kompakten Folie verschlechtert, wurde im Weiteren untersucht, wie groß die eingebrachte Schaumschicht im Vergleich zu den kompakten Außenschichten werden darf, um immer noch ähnliche Eigenschaften zu erzielen wie eine kompakte Blasfolie. Daher wurden Schaumblasfolien mit unterschiedlichen Schichtdickenverhältnissen hergestellt und mit den mechanischen Eigenschaften einer ungeschäumten Blasfolie verglichen. Aufgrund der Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Zellgröße war es wichtig, dass die zu untersuchenden Folien gleiche Zellgrößen aufweisen. Auf Grundlage der zuvor dargestellten Abhängigkeit der Zellgröße vom Druckgradienten am Düsenaustritt erfolgte die Herstellung der Folien daher bei einem konstanten Druckgradienten. In Bild 6 ist die Reißkraft der Folien über dem Verhältnis der Schichtdicken aufgetragen.

Bild 6: Einfluss des Schichtdickenverhälntisses SV auf die Reißkraft (grün) und die Foliendichte (blau): Je geringer das SV, umso höher die Reißkraft. Würde man eine Folie mit SV = 0,3 herstellen, dann läge die Reißkraft etwa 10 Prozent unter der einer kompakten Folie. (Bildquelle: IKV Aachen)

Um eine bessere Relation zu ermöglichen, sind im gleichen Diagramm (Bild 6) auf der Sekundärachse (rechts) die zugehörigen Werte des spezifischen Volumens eingezeichnet, wobei der Wert 1,085 cm³/g dem spezifischen Volumen des reinen ungeschäumten Polyethylens entspricht. Das Schichtdickenverhältnis SV ergibt sich aus dem Dickenverhältnis der geschäumten zur ungeschäumten Schicht (siehe MV). Mit dieser Definition stellt SV = 0 eine kompakte ungeschäumte Mehrschichtfolie dar. Das Diagramm zeigt eine abnehmende Reißkraft der Schaumblasfolie bei zunehmenden SV. Durch die im Verhältnis zur Außenschicht dickere geschäumte Mittelschicht nimmt zusätzlich das spezifische Folienvolumen zu, was einer Reduzierung der Gesamtfoliendichte entspricht. Sowohl für die Reißkraft als auch für das spezifische Volumen lässt sich ein linearer Zusammenhang ermitteln. Die Abnahme der Zugkraft bei steigenden SV ist auf den Materialeinsatz im Folienquerschnitt zurückzuführen, sodass im Vergleich zu einer kompakten Folie durch das Einbringen einer Schaumstruktur der Anteil des tragenden Querschnitts verringert wird.

Die ermittelten Zusammenhänge lassen im Weiteren eine mögliche Abschätzung der Materialeinsparung bei vordefinierten mechanischen Eigenschaften zu. Bild 6 zeigt, dass eine kompakte Blasfolie mit einem spezifischen Volumen von 1,085 cm³/g (entspricht Dichte von 0,921 g/cm3) mit ungefähr 55 N belastet werden kann, bevor sie reißt. Wenn man bei einer Schaumblasfolie beispielhaft eine um maximal 10 Prozent geringere Reißkraft im Vergleich zu einer kompakten Blasfolie akzeptieren kann, dann ließe sich eine solche Folie durch ein Schichtdickenverhältnis von etwa 0,3 erzielen. Aus diesem Schichtdickenverhältnis ergäbe sich wiederum eine Zunahme des spezifischen Volumens auf etwa 1,1285 cm³/g, was einer Foliendichte von ungefähr 0,778 g/cm³ entsprechen würde. Im Vergleich zu einer kompakten Folie entspricht dies der Dichteverminderung. Somit ließen sich mit dieser Schaumfolie etwa 18 Prozent des Materials einsparen – bei immer noch annähernd gleichen mechanischen Eigenschaften.

Fazit und Zusammenfassung

Das Ziel des vorgestellten Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung und Erforschung eines neuartigen Herstellverfahrens für physikalisch geschäumte Mehrschicht-Blasfolien. Es zeigt sich, dass zum Erreichen einer möglichst feinzelligen Schaumstruktur vor allem ein hoher Druckgradient kurz vor dem Düsenaustritt wichtig ist. Dieser lässt sich zum einen durch eine Erhöhung des Massendurchsatzes und zum anderen durch Anpassung der eingesetzten Düsengeometrie steigern: Für einen hohen Druckgradienten und einer damit resultierenden feinzelligen Schaumstruktur sollte eine lange Bügelzone eingesetzt werden. Neben der Zellstruktur ist ebenfalls die Foliendichte von großer Bedeutung. Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass das Massendurchsatzverhältnis für die Dichtereduktion eine wichtige Rolle spielt. So lässt sich durch steigende MV die Foliendichte bei gleichbleibenden Zellgrößen linear reduzieren. Das MV ist jedoch durch Grenzschichtinstabilitäten begrenzt und sollte einen Wert von MV = 2 nicht überschreiten. Für gute mechanische Eigenschaften sind feinzellige Schaumstrukturen anzustreben. Jedoch führt trotz hoher Zelldichten das Einbringen einer Schaumstruktur zu einer signifikanten Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Durch die richtige Wahl des Schichtdickenverhältnisses lassen sich diese deutlich verbessern.

Literatur

[1] HOPMANN, C., HENNES, J., HENNIGS, M., HENDRIKS, S.: Effizienssteigerung in der Folienexturusion . In: Hopmann, C. (Hrsg.): Integrative Kunststofftechnik 2014. Aachen: Shaker Verlag, 2014

[2] KOSCHMIEDER, M.: Untersuchung verschiedener Einflussgrößen bei der Schaumextrusion von Polyethylen mit CO_(2 )als Treibmittel. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen, unveröffentlichte Diplomarbeit, 1996 – Betreuer: D. Kropp

[3] MICHAELI, W.: Extrusionswerkzeuge für Kunststoffe und Kautschuk. München: Carl Hanser Verlag, 2009

[4] STANGE, J.; Einfluss rheologischer Eigenschaften auf das Schäumverhalten von Polypropylenen unterschiedlicher molekularer Struktur. Universität Erlangen-Nürnberg, Dissertation, 2006

[5] ZHANG, H.: Scale-Up of Extrusion Foaming Process for Manufacture of Polystyrene Foams Using Carbon Dioxide. Universität Toronto, Dissertation, 2010

[6] LEE,S.T., PARK, C.B.: Foam Extrusion – Principles and Practice Second Edition, Boca Raton: CRC Press, 2014

[7] COLTON, J. S.; SUH, N. P.: The nucleation of microcellular thermoplastic foam with additives. Part 1: Theoretical considerations. Polymer Engineering and Science 27 (1987) 27, S. 485-492

[8] LANDROCK, A. H.: Handbook of plastic foams: types, properties, manufature and applications: Noyes Publications, 1995