Rotationsformen von Polymeren: Neue Möglichkeiten zur Nanostrukturierung und zur Verstärkung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Hornung; Professor Dr.-Ing. Manfred H. Wagner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 157641829

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eines der Hauptprobleme beim Rotationsformen sind verbleibende eingeschlossene Luftblasen, die die Sinterzeit verlängern und die Festigkeit, aber auch die Ästhetik des Bauteils beeinträchtigen. Ziel des Forschungsvorhabens war es zunächst, durch Nanoverstärkung der Partikelgrenzen die mechanische Festigkeit rotationsgeformter Bauteile zu erhöhen. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass der Zusatz einer geringen Menge von Polyethylenglykol (PEG) den Sinterprozess erheblich beschleunigt und den Anteil verbleibender Luftblasen drastisch reduziert. Es wurde deshalb im Rahmen des Vorhabens der Wirkmechanismus von PEG aufgeklärt, der sich im Wesentlichen auf die geringere Gassättigung der Polymerschmelze bei PEG-Zusatz zurückführen lässt, und das Potenzial der durch PEG-Zusatz möglichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaftswerte untersucht. Sinterexperimenten mit Haufwerken aus LLDPE-Partikeln und PEG-Zusatz zeigen, dass die Wirkung des PEGs umgehend nach dem Aufschmelzen des LLDPEs eintritt. Das PEG schmilzt bei niedrigeren Temperaturen auf als das LLDPE und benetzt beim Aufschmelzen die LLDPE-Partikel. Dadurch wird Luft aus den Pulverzwischenräumen herausgedrückt und der Luftanteil, der von der Schmelze beim Aufschmelzen in Form von Blasen eingeschlossen wird, ist geringer. Bei einer weiteren Zunahme der Temperatur erhöht sich die Gaslöslichkeit bzw. die Gassättigungskonzentration der Polymerschmelze. Als Folge des niedrigeren Luftanteils ist die Schmelze untersättigt und die Luft in den verbliebenen Blasen diffundiert schneller in die Schmelze. Die zeitliche Vermessung des Blasendurchmessers und dessen mathematische Beschreibung mit dem Modell von Gogos zeigen, dass der Sättigungsgrad der Polymerschmelze die treibende Kraft bei der Blasendiffusion ist und die Lebensdauer einer eingeschlossenen Luftblase im Rotationsformprozess maßgeblich bestimmt. Dies belegen auch Sinterversuche mit untersättigten LLDPE-Schmelzen, die bei partiellem Vakuum durchgeführt wurden: Sättigungsrade von 70 bis 80 % führen zu einem blasenfreien Gefüge. Für eine Steigerung der Effektivität des Rotationsformprozesses gibt es danach zwei Möglichkeiten, nämlich PEG-Zusatz oder die Anwendung eines partiellen Vakuums während des Sintervorgangs. PEG-Zusatz zeigt bereits in sehr geringen Massenanteilen eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in rotationsformenden und sinternden Herstellungsverfahren. So kann beim Rotationsformen durch eine Zugabe von 0,2 Gewichtsprozent PEG die Kerbschlagzähigkeit um 33%, der Zugmodul um 23%, die Streckspannung um 5% und die Bruchdehnung um 83% gesteigert werden. Die Produktivität des Rotationsformverfahrens kann durch den beschleunigten Sinterprozess je nach Bauteil um ca. 20 – 30 % gesteigert bzw. 30 - 40% der Heizenergie eingespart werden. Auch die Anwendung eines partiellen Vakuums von 700 mbar führt zu einer Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Dagegen erwies sich die Wirkung einer Nanoverstärkung der Partikelgrenzen auf die Erhöhung der mechanischen Festigkeit rotationsgeformter Bauteile als begrenzt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Novel Processing Additives for Rotational Molding of Polyethylene. Intern. International Polymer Processing, Vol. 24. 2009, No. 5, pp. 452-462.
  Kulikov O., Hornung K., Wagner M.H.
  
• Control of Nano-Scale Structuring and Reinforcement in Rotational Molding of Polyethylene, Internat. Symp. Advanced Processing and Maufacturing Technologies (APMT), Daytona, USA
  Kulikov O, Hornung K, and Wagner MH
  
• Control of nano-Scale Structuring and Reinforcement in Rotational Molding of Polyethylene. Macromolecular Symposia, Vol. 296. 2010, Issue 1 (Special Issue: Modern Trends in Polymer Science – EPF'09), pp. 324-335.
  Kulikov O, Hornung K, and Wagner MH
  
• Processing Additives for Rotational Molding of Polyethylene, 2nd International Conference on Polymer Processing and Characterization (ICPPC), Kerala, India
  Kulikov O, Hornung K, and Wagner MH
  
• Nano-Scale Structuring and Densification of Melt in Rotomolding of Polyethylene Powders. Intern. Conference Polymers and Additives, Bangkok, Thailand
  Kulikov O, Hornung K Wagner MH
  
• The Effect of PEG as Sintering Aid for Rotational Molding of LLDPE, 31st Internat. Conference of the Polymer Processing Society, Jeju Island, Korea
  Wagner MH and Rohnstock F
  
• Über den Wirkmechanismus von Polyethylenglykol als Additiv zur Gefügeverdichtung im Rotationsformverfahren. Dissertation, Technische Universität Berlin, 2017, 116 S. Schriftenreihe KUNSTSTOFF-FORSCHUNG Bd. 82, hg. von Manfred H. Wagner, Universitätsverlag der TU Berlin.
  Rohnstock, F.