Prozessführungen und Materialformulierungen für physikalisch geschäumte Polymerprodukte

Bernd Geißler

Prozessführungen und Materialformulierungen für physikalisch geschäumte Polymerprodukte

Translated title of the contribution: Process and material engineering for physically foamed polymer products

Bernd Geißler

Chair of Polymer Processing (350)

Research output: Thesis › Doctoral Thesis

Abstract

Continuously rising commodity prices and increasing competition make it necessary to develop new and improve existing processing technologies. Thereby, physical foaming in extrusion represents an excellent way to save natural resources while maintaining high quality products. However, physical foaming is a very complex processing technology, whereas a lot of contradictions are present in the existing literature. Therefore, the individual steps of physical foaming in extrusion were systematically investigated in this thesis. Among other things, a measurement concept for the determination of the minimum required residence time for the formation of single-phase solution and a new dynamic measuring method for the determination of blowing agent solubility in the polymer melt were developed for this purpose. It could be shown that the shear rate and the pressure at the blowing agent injection point are essential for the formation of single-phase solution, whereas the mass temperature has little influence on it. The studies on phase separation in foam extrusion have shown that both the addition of passive nucleating agents and the increase of shear and strain rate in the die lead to a significant increase of degassing pressure. The increase of the degassing pressure results in a significant improvement of the foam morphology for low blowing agent concentrations (

Translated title of the contribution	Process and material engineering for physically foamed polymer products
Original language	German
Qualification	Dr.mont.
Supervisors/Advisors	Pinter, Gerald Gerhard, Assessor B (internal) Langecker, Günter R., Assessor A (internal)
Publication status	Published - 2014

Bibliographical note

embargoed until 09-04-2019

Keywords

Physical foaming
nucleation
nucleating agent
CO2
degassing pressure

Cite this

@phdthesis{fe54abf9f0344d17875544ef6cef6f6b,

title = "Prozessf{\"u}hrungen und Materialformulierungen f{\"u}r physikalisch gesch{\"a}umte Polymerprodukte",

abstract = "Stetig steigende Rohstoffpreise und der zunehmenden Wettbewerb machen es n{\"o}tig innovative Technologien zu entwickeln oder bestehende Verfahren zu verbessern. Das physikalische Sch{\"a}umen in der Extrusion stellt dabei eine hervorragende M{\"o}glichkeit dar, nat{\"u}rliche Ressourcen einzusparen und trotzdem hochwertige Produkte herzustellen. Dabei handelt es sich um ein komplexes Verfahren der Kunststoffverarbeitung, bei dem sehr viele Widerspr{\"u}che in der bestehenden Literatur vorhanden sind, welche einen weitergehenden Einsatz dieser Technologie verhindern. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit diese Thematik aufgegriffen und systematisch die einzelnen Verfahrensschritte der physikalischen Schaumextrusion n{\"a}her untersucht. Zu diesem Zwecke wurden unter anderem ein Messkonzept zur Bestimmung der minimal notwendigen Verweilzeit f{\"u}r die Ausbildung der Polymer/Treibmittel-Einphasenmischung und eine neue dynamische Messmethoden zur Bestimmung der Treibmittell{\"o}slichkeit in der Polymerschmelze erarbeitet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Schergeschwindigkeit und der Druck an der Begasungsstelle wesentlich f{\"u}r die Ausbildung der Einphasenmischung sind, wohingegen die Massetemperatur kaum Einfluss darauf hat. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Untersuchungen zur Phasentrennung in der Schaumextrusion haben gezeigt, dass sowohl die Zugabe von passiven Nukleierungsmitteln als auch die Erh{\"o}hung der Scher- und Dehnrate im Werkzeug zu einem signifikanten Anstieg des Entgasungsdruckes f{\"u}hren. Dieser Anstieg des Entgasungsdruckes bewirkt bei geringen Treibmittelkonzentrationen (<1 Gew.-% CO2) eine wesentliche Verbesserung der Schaummorphologie durch eine Erh{\"o}hung der Zelldichte und Reduktion der mittleren Zellgr{\"o}{\ss}e. Au{\ss}erdem wurde gezeigt, dass mit steigendem Entgasungsdruck, tiefere Massetemperaturen notwendig sind, um eine optimale Volumenexpansion zu erzielen. Basierend darauf wurde ein neues Modell zur Interpretation der unterschiedlichen Nukleierungswirkung von aktiven und passiven Nukleierungsmitteln aufgestellt. Des Weiteren wurde eine neue Methode zur Beurteilung der Sch{\"a}umbarkeit von Materialformulierungen erarbeitet. Diese Methode basiert auf einfachen rheologischen Messungen mit einem Kegel/Platte Rheometer. Abschlie{\ss}end wurde die Erkenntnisse dieser Arbeit dazu verwendet ein Konzept f{\"u}r die systematische Auslegung von physikalisch gesch{\"a}umten Produkten aufzustellen. Dieses Konzept soll dazu dienen, Fehler bei der Auslegung von Prozessen und Materialformulierungen f{\"u}r das physikalische Sch{\"a}umen zu reduzieren.",

keywords = "Physikalisches Sch{\"a}umen, Extrusion, Phasentrennung, CO2, Nukleierungsmittel, Entgasungsdruck, Physical foaming, nucleation, nucleating agent, CO2, degassing pressure",

author = "Bernd Gei{\ss}ler",

note = "gesperrt bis 09-04-2019",

year = "2014",

language = "Deutsch",

}

TY - BOOK

T1 - Prozessführungen und Materialformulierungen für physikalisch geschäumte Polymerprodukte

AU - Geißler, Bernd

N1 - gesperrt bis 09-04-2019

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Stetig steigende Rohstoffpreise und der zunehmenden Wettbewerb machen es nötig innovative Technologien zu entwickeln oder bestehende Verfahren zu verbessern. Das physikalische Schäumen in der Extrusion stellt dabei eine hervorragende Möglichkeit dar, natürliche Ressourcen einzusparen und trotzdem hochwertige Produkte herzustellen. Dabei handelt es sich um ein komplexes Verfahren der Kunststoffverarbeitung, bei dem sehr viele Widersprüche in der bestehenden Literatur vorhanden sind, welche einen weitergehenden Einsatz dieser Technologie verhindern. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit diese Thematik aufgegriffen und systematisch die einzelnen Verfahrensschritte der physikalischen Schaumextrusion näher untersucht. Zu diesem Zwecke wurden unter anderem ein Messkonzept zur Bestimmung der minimal notwendigen Verweilzeit für die Ausbildung der Polymer/Treibmittel-Einphasenmischung und eine neue dynamische Messmethoden zur Bestimmung der Treibmittellöslichkeit in der Polymerschmelze erarbeitet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Schergeschwindigkeit und der Druck an der Begasungsstelle wesentlich für die Ausbildung der Einphasenmischung sind, wohingegen die Massetemperatur kaum Einfluss darauf hat. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur Phasentrennung in der Schaumextrusion haben gezeigt, dass sowohl die Zugabe von passiven Nukleierungsmitteln als auch die Erhöhung der Scher- und Dehnrate im Werkzeug zu einem signifikanten Anstieg des Entgasungsdruckes führen. Dieser Anstieg des Entgasungsdruckes bewirkt bei geringen Treibmittelkonzentrationen (<1 Gew.-% CO2) eine wesentliche Verbesserung der Schaummorphologie durch eine Erhöhung der Zelldichte und Reduktion der mittleren Zellgröße. Außerdem wurde gezeigt, dass mit steigendem Entgasungsdruck, tiefere Massetemperaturen notwendig sind, um eine optimale Volumenexpansion zu erzielen. Basierend darauf wurde ein neues Modell zur Interpretation der unterschiedlichen Nukleierungswirkung von aktiven und passiven Nukleierungsmitteln aufgestellt. Des Weiteren wurde eine neue Methode zur Beurteilung der Schäumbarkeit von Materialformulierungen erarbeitet. Diese Methode basiert auf einfachen rheologischen Messungen mit einem Kegel/Platte Rheometer. Abschließend wurde die Erkenntnisse dieser Arbeit dazu verwendet ein Konzept für die systematische Auslegung von physikalisch geschäumten Produkten aufzustellen. Dieses Konzept soll dazu dienen, Fehler bei der Auslegung von Prozessen und Materialformulierungen für das physikalische Schäumen zu reduzieren.

AB - Stetig steigende Rohstoffpreise und der zunehmenden Wettbewerb machen es nötig innovative Technologien zu entwickeln oder bestehende Verfahren zu verbessern. Das physikalische Schäumen in der Extrusion stellt dabei eine hervorragende Möglichkeit dar, natürliche Ressourcen einzusparen und trotzdem hochwertige Produkte herzustellen. Dabei handelt es sich um ein komplexes Verfahren der Kunststoffverarbeitung, bei dem sehr viele Widersprüche in der bestehenden Literatur vorhanden sind, welche einen weitergehenden Einsatz dieser Technologie verhindern. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit diese Thematik aufgegriffen und systematisch die einzelnen Verfahrensschritte der physikalischen Schaumextrusion näher untersucht. Zu diesem Zwecke wurden unter anderem ein Messkonzept zur Bestimmung der minimal notwendigen Verweilzeit für die Ausbildung der Polymer/Treibmittel-Einphasenmischung und eine neue dynamische Messmethoden zur Bestimmung der Treibmittellöslichkeit in der Polymerschmelze erarbeitet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Schergeschwindigkeit und der Druck an der Begasungsstelle wesentlich für die Ausbildung der Einphasenmischung sind, wohingegen die Massetemperatur kaum Einfluss darauf hat. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur Phasentrennung in der Schaumextrusion haben gezeigt, dass sowohl die Zugabe von passiven Nukleierungsmitteln als auch die Erhöhung der Scher- und Dehnrate im Werkzeug zu einem signifikanten Anstieg des Entgasungsdruckes führen. Dieser Anstieg des Entgasungsdruckes bewirkt bei geringen Treibmittelkonzentrationen (<1 Gew.-% CO2) eine wesentliche Verbesserung der Schaummorphologie durch eine Erhöhung der Zelldichte und Reduktion der mittleren Zellgröße. Außerdem wurde gezeigt, dass mit steigendem Entgasungsdruck, tiefere Massetemperaturen notwendig sind, um eine optimale Volumenexpansion zu erzielen. Basierend darauf wurde ein neues Modell zur Interpretation der unterschiedlichen Nukleierungswirkung von aktiven und passiven Nukleierungsmitteln aufgestellt. Des Weiteren wurde eine neue Methode zur Beurteilung der Schäumbarkeit von Materialformulierungen erarbeitet. Diese Methode basiert auf einfachen rheologischen Messungen mit einem Kegel/Platte Rheometer. Abschließend wurde die Erkenntnisse dieser Arbeit dazu verwendet ein Konzept für die systematische Auslegung von physikalisch geschäumten Produkten aufzustellen. Dieses Konzept soll dazu dienen, Fehler bei der Auslegung von Prozessen und Materialformulierungen für das physikalische Schäumen zu reduzieren.

KW - Physikalisches Schäumen

KW - Extrusion

KW - Phasentrennung

KW - CO2

KW - Nukleierungsmittel

KW - Entgasungsdruck

KW - Physical foaming

KW - nucleation

KW - nucleating agent

KW - CO2

KW - degassing pressure

M3 - Dissertation

ER -