Bei der systematischen Untersuchungen der Biopolymere spielte die vollhydraulische CX-Maschine von KraussMaffei ihre Vorteile als besonders kompakte, effiziente und flexible Zwei-Platten-Maschine aus. (Bildquelle: Krauss Maffei)

Bei der systematischen Untersuchungen der Biopolymere spielte die vollhydraulische CX-Maschine von KraussMaffei ihre Vorteile als besonders kompakte, effiziente und flexible Zwei-Platten-Maschine aus. (Bildquelle: Krauss Maffei)

Biokunststoffe erobern weiterhin neue Anwendungsgebiete – immer häufiger kommen dabei biobasierte, biologisch nicht abbaubare Kunststoffe nicht nur im Verpackungsbereich, sondern auch in technischen Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel für einen technischen Kunststoff, der überwiegend auf nachwachsenden Rohstoffen basiert, ist PA610. Es unterscheidet sich von herkömmlichem Polyamid 6 (PA6) und 66 (PA66) durch eine reduzierte Wasseraufnahme sowie bessere Hydrolyse- und Spannungsrissbeständigkeit.

Im Gegensatz zu beiden kann PA610 aus einem petrochemischen Diamin und aus der biobasierten Sebacinsäure polymerisiert werden. Ausgangsstoff der Sebacinsäure ist das so genannte Rizinusöl, ein Pflanzenöl, das aus dem Samen des tropischen Wunderbaums (Ricinus communis) gewonnen wird. Der Anteil dieses nachwachsenden Rohstoffs im Basispolymer PA610 beträgt mehr als 60 Prozent, womit die gängige Definition eines Biokunststoffs erfüllt wird.

Verarbeitung von Biokunststoffen

Für den Kunststoffverarbeiter wirft die erstmalige Verwendung solcher biobasierten Kunststoffe verschiedene Fragen auf. In gewisser Weise ist die Situation vergleichbar mit der Einführung des Kraftstoffs E10 in Deutschland im Jahr 2011. Viele Fahrzeugbesitzer waren damals unsicher, ob ihr Wagen die neue Benzinsorte verträgt. Um dem Spritzgießer einen Leitfaden an die Hand geben zu können, worauf bei der Verarbeitung von Biokunststoffen geachtet werden muss, hat Krauss Maffei, München, in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rosenheim und dem Institut für Biokunststoffe und Bioverbundkunststoffe (IfBB) in Hannover systematische Untersuchungen zur Verarbeitung von Biopolymeren durchgeführt. Dabei wurde untersucht, ob PA610 im Vergleich zu konventionellem PA6 anders reagiert, wenn bestimmte Verarbeitungsparameter, wie Zylindertemperatur, Einspritzgeschwindigkeit, Staudruck, Verweilzeit oder Kühlzeit sich verändern. Als Prüfkörper dienten Schulterstäbe und Kästchen, die im Spritzgießen hergestellt wurden. Im Rahmen dieser Versuche wurde sowohl unverstärktes als auch mit 30 Prozent Glasfaser verstärktes Material verarbeitet.

Viskositätsbestimmung

Zunächst sollte festgestellt werden, ob das biobasierte PA610 während der Verarbeitung andere Materialabbauerscheinungen zeigt als das konventionelle PA6. Dazu wurden die spritzgegossenen Schulterstäbe vier Stunden lang bei 80° C getrocknet und anschließend mit einer Mühle zerkleinert. Die Viskosität des so erhaltenen Mahlguts wurde in einem Hochdruck-Kapillarviskosimeter bestimmt und mit der Viskosität des Materials vor der Verarbeitung verglichen. Hier zeigte sich, dass die Viskositätsänderungen von PA610 und PA6 auf einem vergleichbaren Niveau liegen (Bild 1). Daraus kann geschlossen werden, dass auch der auftretende Materialabbau bei den beiden PA-Werkstoffen sich nicht signifikant unterscheidet.

Mechanische Eigenschaften

Am Beispiel eines Zugstabes wurden die mechanischen Kennwerte ermittelt.  
(Bildquelle: KrausMaffei)

Am Beispiel eines Zugstabes wurden die mechanischen Kennwerte ermittelt.
(Bildquelle: Krauss Maffei)

Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der Verarbeitungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften von PA610 und PA6 gegenübergestellt. Bei der Herstellung von Schulterstäben wurden als Ausgangsparameter eine Zylindertemperatur von 270° C, eine Einspritzgeschwindigkeit von 30 cm³/s, ein Staudruck von 30 bar und eine Zykluszeit von 54 s gewählt.

Danach wurden weitere Zugstäbe mit 60 bzw. 300 s längeren Zykluszeiten gespritzt, um den Einfluss der Verweilzeit auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Zusätzlich wurden Schulterstäbe bei Zylindertemperaturen von 250° C und 290° C hergestellt. Abschließend wurden noch die Einspritzgeschwindigkeit (20 bzw. 40 cm³/s) und der Staudruck (10, 50 und 80 bar) variiert. In den Versuchen wurde das so genannte COST-Prinzip (change on parameter at a time) zugrunde gelegt. Es wurde also immer nur jeweils ein Parameter variiert, während die anderen Parameter unverändert blieben.

Zusammengefasst konnte bei diesen Versuchen festgestellt werden, dass die mechanischen Kennwerte des PA610 und des PA6 durch das Variieren der Verarbeitungsparameter nur gering beeinflusst wurde. Die gemessenen Kennwerte lagen noch nah an den Werten, die in den jeweiligen Datenblättern angegeben waren.

Bei den unverstärkten Materialien führten längere Verweilzeiten zu einer geringeren Zugfestigkeit, bei Zylindertemperaturen von 250° C als auch von 290° C war ein ähnlicher Effekt zu beobachten. Zwischen dem Biopolymer PA610 und dem konventionellen PA6 waren hier keine signifikanten Unterschiede erkennbar. Aus einer höheren oder verringerten Einspritzgeschwindigkeit resultierte eine geringere Zugfestigkeit bei PA610, bei PA6 nahm sie dagegen leicht zu. Bei den glasfaserverstärkten Materialien erhöhte sich die Zugfestigkeit geringfügig, wenn das Material durch die Pausenzeiten länger im Zylinder verweilte. Bei einer Zylindertemperatur von 290° C nahm die Zugfestigkeit ebenfalls leicht zu, bei 250° C dagegen leicht ab. Der Einfluss von Einspritzgeschwindigkeit und Staudruck auf die Zugfestigkeit war gering. Auch bei den glasfaserverstärkten Materialien verhielt sich das PA610 nicht signifikant anders als PA6.

 Vergleich des Verzugsverhaltens von PA6 und PA610. (Bildquelle: Krausmaffei)

Vergleich des Verzugsverhaltens von PA6 und PA610. (Bildquelle: Krauss Maffei)

Das Schwindungsverhalten der PA-Materialien wurde an den getrockneten Schulterstäben mit einem Messschieber ermittelt. Als Referenzwert dient hier die Schulterstablänge im temperierten Werkzeug von 171,90 mm. Dabei stellte sich heraus, dass bei den Biopolyamiden PA610 stärkere Schwindungseffekte auftreten als beim konventionellen PA6. Die Schwindungswerte des unverstärkten PA610 liegen im Bereich von ca. 2 Prozent, während das unverstärkte PA6 Werte zwischen 1,3 und 1,7 Prozent erreicht. Bei den Polyamiden mit 30 Prozent Glasfaserverstärkung war der Unterschied zwischen Biopolymeren und konventionellem Material geringer. Beim glasfaserverstärkten PA610 wurden Schwindungswerte im Bereich von etwa 0,47 Prozent ermittelt, beim konventionellen PA6 lagen die Schwindungswerte bei ca. 0,41 Prozent.

Schwindung und Verzug

Vergleich der Zugfestigkeiten von PA6 und PA610 bei Variation der Verarbeitungsparameter. (Bildquelle: KrausMaffei)

Vergleich der Zugfestigkeiten von PA6 und PA610 bei Variation der Verarbeitungsparameter. (Bildquelle: Krauss Maffei)

Flankierend zu den Messungen an den Schulterstäben wurde auch der Verzug an im Spritzgießprozess hergestellten Kästchen bestimmt. Zum Einsatz kam dabei eine optische Messmaschine vom Typ Comet Variozoom des Herstellers Carl Zeiss Optotechnik. Das System basiert auf der Weißlichtstreifenprojektion. Um die Oberfläche für das Messsytem erfassbar zu machen, wurde Entwicklerspray verwendet. Die Messdaten wurden mit der Auswertungssoftware Comet Inspect verarbeitet und mit den Referenzdaten verglichen. In Übereinstimmung mit den Schwindungsmessungen zeigten sich auch hier bei den Biopolyamiden PA610 stärkere Verzugseffekte im Vergleich zum PA6. Wie erwartet verringert die Glasfaserverstärkung den Verzug. Außerdem konnte aus den Messungen ermittelt werden, dass eine Änderung der Einspritzgeschwindigkeit das Verzugsverhalten der Materialien nicht beeinflusst.

Schneckengeometrien

Biokunststoffe erobern weiterhin neue Anwendungsgebiete – immer häufiger kommen dabei biobasierte, biologisch nicht abbaubare Kunststoffe nicht nur im Verpackungsbereich, sondern auch in technischen Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel für einen technischen Kunststoff, der überwiegend auf nachwachsenden Rohstoffen basiert, ist PA610. Es unterscheidet sich von herkömmlichem Polyamid 6 (PA6) und 66 (PA66) durch eine reduzierte Wasseraufnahme sowie bessere Hydrolyse- und Spannungsrissbeständigkeit.
Im Gegensatz zu beiden kann PA610 aus einem petrochemischen Diamin und aus der biobasierten Sebacinsäure polymerisiert werden. Ausgangsstoff der Sebacinsäure ist das so genannte Rizinusöl, ein Pflanzenöl, das aus dem Samen des tropischen Wunderbaums (Ricinus communis) gewonnen wird. Der Anteil dieses nachwachsenden Rohstoffs im Basispolymer PA610 beträgt mehr als 60 Prozent, womit die gängige Definition eines Biokunststoffs erfüllt wird.
Verarbeitung von 
Biokunststoffen
Für den Kunststoffverarbeiter wirft die erstmalige Verwendung solcher biobasierten Kunststoffe verschiedene Fragen auf. In gewisser Weise ist die Situation vergleichbar mit der Einführung des Kraftstoffs E10 in Deutschland im Jahr 2011. Viele Fahrzeugbesitzer waren damals unsicher, ob ihr Wagen die neue Benzinsorte verträgt. Um dem Spritzgießer einen Leitfaden an die Hand geben zu können, worauf bei der Verarbeitung von Biokunststoffen geachtet werden muss, hat Krauss Maffei, München, in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rosenheim und dem Institut für Biokunststoffe und Bioverbundkunststoffe (IfBB) in Hannover systematische Untersuchungen zur Verarbeitung von Biopolymeren durchgeführt. Dabei wurde untersucht, ob PA610 im Vergleich zu konventionellem PA6 anders reagiert, wenn bestimmte Verarbeitungsparameter, wie Zylindertemperatur, Einspritzgeschwindigkeit, Staudruck, Verweilzeit oder Kühlzeit sich verändern. Als Prüfkörper dienten Schulterstäbe und Kästchen, die im Spritzgießen hergestellt wurden. Im Rahmen dieser Versuche wurde sowohl unverstärktes als auch mit 30 Prozent Glasfaser verstärktes Material verarbeitet.
Viskositätsbestimmung
Zunächst sollte festgestellt werden, ob das biobasierte PA610 während der Verarbeitung andere Materialabbauerscheinungen zeigt als das konventionelle PA6. Dazu wurden die spritzgegossenen Schulterstäbe vier Stunden lang bei 80° C getrocknet und anschließend mit einer Mühle zerkleinert. Die Viskosität des so erhaltenen Mahlguts wurde in einem Hochdruck-Kapillarviskosimeter bestimmt und mit der Viskosität des Materials vor der Verarbeitung verglichen. Hier zeigte sich, dass die Viskositätsänderungen von PA610 und PA6 auf einem vergleichbaren Niveau liegen (Bild 1). Daraus kann geschlossen werden, dass auch der auftretende Materialabbau bei den beiden PA-Werkstoffen sich nicht signifikant unterscheidet.
Mechanische Eigenschaften
Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der Verarbeitungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften von PA610 und PA6 gegenübergestellt. Bei der Herstellung von Schulterstäben wurden als Ausgangsparameter eine Zylindertemperatur von 270° C, eine Einspritzgeschwindigkeit von 30 cm³/s, ein Staudruck von 30 bar und eine Zykluszeit von 54 s gewählt.
Danach wurden weitere Zugstäbe mit 60 bzw. 300 s längeren Zykluszeiten gespritzt, um den Einfluss der Verweilzeit auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Zusätzlich wurden Schulterstäbe bei Zylindertemperaturen von 250° C und 290° C hergestellt. Abschließend wurden noch die Einspritzgeschwindigkeit (20 bzw. 40 cm³/s) und der Staudruck (10, 50 und 80 bar) variiert. In den Versuchen wurde das so genannte COST-Prinzip (change on parameter at a time) zugrunde gelegt. Es wurde also immer nur jeweils ein Parameter variiert, während die anderen Parameter unverändert blieben.
Zusammengefasst konnte bei diesen Versuchen festgestellt werden, dass die mechanischen Kennwerte des PA610 und des PA6 durch das Variieren der Verarbeitungsparameter nur gering beeinflusst wurde. Die gemessenen Kennwerte lagen noch nah an den Werten, die in den jeweiligen Datenblättern angegeben waren.
Bei den unverstärkten Materialien führten längere Verweilzeiten zu einer geringeren Zugfestigkeit, bei Zylindertemperaturen von 250° C als auch von 290° C war ein ähnlicher Effekt zu beobachten. Zwischen dem Biopolymer PA610 und dem konventionellen PA6 waren hier keine signifikanten Unterschiede erkennbar. Aus einer höheren oder verringerten Einspritzgeschwindigkeit resultierte eine geringere Zugfestigkeit bei PA610, bei PA6 nahm sie dagegen leicht zu. Bei den glasfaserverstärkten Materialien erhöhte sich die Zugfestigkeit geringfügig, wenn das Material durch die Pausenzeiten länger im Zylinder verweilte. Bei einer Zylindertemperatur von 290° C nahm die Zugfestigkeit ebenfalls leicht zu, bei 250° C dagegen leicht ab. Der Einfluss von Einspritzgeschwindigkeit und Staudruck auf die Zugfestigkeit war gering. Auch bei den glasfaserverstärkten Materialien verhielt sich das PA610 nicht signifikant anders als PA6.
Das Schwindungsverhalten der PA-Materialien wurde an den getrockneten Schulterstäben mit einem Messschieber ermittelt. Als Referenzwert dient hier die Schulterstablänge im temperierten Werkzeug von 171,90 mm. Dabei stellte sich heraus, dass bei den Biopolyamiden PA610 stärkere Schwindungseffekte auftreten als beim konventionellen PA6. Die Schwindungswerte des unverstärkten PA610 liegen im Bereich von ca. 2 Prozent, während das unverstärkte PA6 Werte zwischen 1,3 und 1,7 Prozent erreicht. Bei den Polyamiden mit 30 Prozent Glasfaserverstärkung war der Unterschied zwischen Biopolymeren und konventionellem Material geringer. Beim glasfaserverstärkten PA610 wurden Schwindungswerte im Bereich von etwa 0,47 Prozent ermittelt, beim konventionellen PA6 lagen die Schwindungswerte bei ca. 0,41 Prozent.
Schwindung und Verzug
Flankierend zu den Messungen an den Schulterstäben wurde auch der Verzug an im Spritzgießprozess hergestellten Kästchen bestimmt. Zum Einsatz kam dabei eine optische Messmaschine vom Typ Comet Variozoom des Herstellers Carl Zeiss Optotechnik. Das System basiert auf der Weißlichtstreifenprojektion. Um die Oberfläche für das Messsytem erfassbar zu machen, wurde Entwicklerspray verwendet. Die Messdaten wurden mit der Auswertungssoftware Comet Inspect verarbeitet und mit den Referenzdaten verglichen. In Übereinstimmung mit den Schwindungsmessungen zeigten sich auch hier bei den Biopolyamiden PA610 stärkere Verzugseffekte im Vergleich zum PA6. Wie erwartet verringert die Glasfaserverstärkung den Verzug. Außerdem konnte aus den Messungen ermittelt werden, dass eine Änderung der Einspritzgeschwindigkeit das Verzugsverhalten der Materialien nicht beeinflusst.
Schneckengeometrien
Der Einfluss der Schneckengeometrie bei der Verarbeitung von Biopolymeren wurde an vier verschiedenen Schneckentypen untersucht. Verwendet wurden eine 3-Zonen-Schnecke mit geringer Kompression (Niederkompressionsschnecke, NKS), eine universelle 3-Zonen-Schnecke (Standardschnecke, StS) sowie eine Mischschnecke mit Scher- und Mischteil (HPS-M). Um ein möglichst breites Spektrum von Biopolymeren abzudecken, wurden in den Versuchen neben PA610 auch die Materialien PA1010, PLA sowie ein mit 20 Prozent Naturfaser gefülltes PP, ein biobasiertes PE sowie ein biologisch abbaubares Blend aus Stärke und Biopolymer verarbeitet. In den meisten Fällen war kein signifikanter Einfluss der Schneckengeometrie auf die mechanischen Eigenschaften erkennbar. Bis auf das biobasierte PA1010 konnten alle untersuchten Biopolymere ohne Probleme auf einer Standardschnecke verarbeitet werden.
Keine ungewöhnliche Parameter-
Anpassung
Das untersuchte Biopolymer PA610 weist im Spritzgießen meist vergleichbare Verarbeitungseigenschaften wie das konventionelle PA6 auf. Allerdings zeigt PA610 eine stärkere Verzugsneigung als PA6. Eine spezielle Schneckengeometrie ist bei der Verarbeitung von Biokunststoffen nur in Ausnahmefällen erforderlich. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass bei der Verarbeitung von Biokunststoffen die Prozess- und Werkzeugparameter an den neuen Werkstoff angepasst werden müssen – exakt so, wie bei der Umstellung von einem synthetischen auf ein anderes synthetisches Polymer. n
Danksagung
Unser besonderer Dank geht an Prof. Dipl.-Ing. Peter Karlinger, Professor an der Fakultät Ingenieurwissenschaft im Studiengang Kuntstofftechnik an der HS Rosenheim, sowie Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres, Institutsleiter am IFBB (Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe), im Rahmen der systematischen Untersuchungen zur Verarbeitung von Biopolymeren im Spritzgießverfahren. (Bildquelle: Kraus Maffei)

Eignung verschiedener Schneckengeometrien für die Verarbeitung von Biokunststoffen, (+ besonders geeignet | o geeignet | – nicht geeignet). (Bildquelle: Krauss Maffei)

Der Einfluss der Schneckengeometrie bei der Verarbeitung von Biopolymeren wurde an vier verschiedenen Schneckentypen untersucht. Verwendet wurden eine 3-Zonen-Schnecke mit geringer Kompression (Niederkompressionsschnecke, NKS), eine universelle 3-Zonen-Schnecke (Standardschnecke, StS) sowie eine Mischschnecke mit Scher- und Mischteil (HPS-M). Um ein möglichst breites Spektrum von Biopolymeren abzudecken, wurden in den Versuchen neben PA610 auch die Materialien PA1010, PLA sowie ein mit 20 Prozent Naturfaser gefülltes PP, ein biobasiertes PE sowie ein biologisch abbaubares Blend aus Stärke und Biopolymer verarbeitet. In den meisten Fällen war kein signifikanter Einfluss der Schneckengeometrie auf die mechanischen Eigenschaften erkennbar. Bis auf das biobasierte PA1010 konnten alle untersuchten Biopolymere ohne Probleme auf einer Standardschnecke verarbeitet werden.

Keine ungewöhnliche Parameter-Anpassung

Das untersuchte Biopolymer PA610 weist im Spritzgießen meist vergleichbare Verarbeitungseigenschaften wie das konventionelle PA6 auf. Allerdings zeigt PA610 eine stärkere Verzugsneigung als PA6. Eine spezielle Schneckengeometrie ist bei der Verarbeitung von Biokunststoffen nur in Ausnahmefällen erforderlich. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass bei der Verarbeitung von Biokunststoffen die Prozess- und Werkzeugparameter an den neuen Werkstoff angepasst werden müssen – exakt so, wie bei der Umstellung von einem synthetischen auf ein anderes synthetisches Polymer.

Danksagung
Unser besonderer Dank geht an Prof. Dipl.-Ing. Peter Karlinger, Professor an der Fakultät Ingenieurwissenschaft im Studiengang Kuntstofftechnik an der HS Rosenheim, sowie Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres, Institutsleiter am IFBB (Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe), im Rahmen der systematischen Untersuchungen zur Verarbeitung von Biopolymeren im Spritzgießverfahren.

 

Fakuma Halle A7, Stand 7303

Über den Autor

Martin Würtele

ist Leiter der Technologieentwicklung bei KraussMaffei Technologies in München.