Thermoformen vernetzter teilkristalliner Thermoplaste
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war es, am Modellwerkstoffsystem Polyamid 12 die Änderung der Halbzeugeigenschaften durch die Vernetzung sowie die Auswirkungen prozessrelevanter Halbzeugeigenschaften, geometrischer Randbedingungen und Prozessparameter auf das Verhalten der Halbzeuge im Thermoformprozess und die daraus resultierenden Bauteileigenschaften herauszuarbeiten. Es konnte gezeigt werden, dass eine Strahlenvernetzung der Halbzeuge, mit zunehmendem Vernetzungsgrad, zur Abnahme der Schmelztemperaturen, zum Anstieg der Schmelzesteifigkeit, zu stärkerer Dehnverfestigung sowie zur Reduktion der Bruchdehnung in der Schmelze führt. Abhängig vom Vernetzungsgrad konnten unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten des Dehnverhaltens der Schmelzen nachgewiesen werden. Während bei geringeren Vernetzungsgraden eine signifikant reduzierte Dehnverfestigung sowie bis 220°C eine erhöhte Bruchdehnung vorliegen, führt eine Temperaturerhöhung bei stark vernetzten Schmelzen zu keiner Änderung des Verfestigungsverhaltens oder erhöhter Duktilität. Die beschriebenen Effekte zeigen sich grundsätzlich in einachsiger und mehrachsiger Dehnung. Die durch Vernetzung veränderten Halbzeugeigenschaften haben deutliche Auswirkungen auf den Thermoformprozess. Die erhöhte Schmelzesteifigkeit verhindert starken Durchhang und Abtropfen während der Aufheizphase. Das infolge langsamer Relaxationsvorgänge elastisch dominierte Verhalten der Schmelze reduziert zugleich die Gefahr der Faltenbildung. Diese Effekte haben ein vergrößertes Verarbeitungstemperaturfenster durch Vernetzung zur Folge. Hohe Vernetzungsgrade führen hierbei, verursacht durch die reduzierte Bruchdehnung, zu einem kleineren Prozessfenster als niedrigere Vernetzungsgrade. Das Verformungsverhalten der Halbzeuge im Thermoformprozess und die resultierenden geometrischen Bauteileigenschaften zeigen Abhängigkeiten vom Vernetzungsgrad, der Verarbeitungstemperatur und dem Verstreckverhältnis. Die Vernetzung führt, in Korrelation mit dem dehnverfestigenden Materialverhalten, insbesondere bei hohen Verstreckverhältnissen zu gleichmäßigeren Wanddicken. Die im Thermoformprozess vorliegenden maximalen Dehngeschwindigkeiten liegen dabei mit 10 - 25 s^-1 höher als aus der Literatur bekannt. Die mechanischen Eigenschaften vernetzter Thermoformbauteile sind von einer Vielzahl von Einflüssen abhängig. Mit stärkerer Verstreckung steigen Zugsteifigkeit und Zugfestigkeit, wogegen die Bruchdehnung abnimmt. Die gleichen Effekte werden mit steigendem Vernetzungsgrad und steigender Werkzeugtemperatur erzielt. Die Halbzeugdicke beeinflusst die Abkühlgeschwindigkeit beim Thermoformen sowie, aus dem Extrusionsprozess heraus, den Vernetzungsgrad. Dadurch werden mit dickeren Halbzeugen festere sowie duktilere Bauteile erreicht. Die Vakuumformtemperatur hat hingegen keinen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften. Allgemein konnten Zugsteifigkeit und Zugfestigkeit vernetzter Halbzeuge durch das Thermoformen um bis zu 40 - 45 % gesteigert werden. Zugleich kommt es zu einer starken Reduktion der Bruchdehnung, die jedoch mit 22 - 127 % auch nach dem Thermoformen für die meisten Anwendungen ausreichend sein dürfte. Im Rahmen des Projektes konnte das Potential der Vernetzung zur Verbesserung der Thermoformbarkeit teilkristalliner Thermoplaste gezeigt werden. Insbesondere geringe Vernetzungsrade um 45 % führen zu robusten Verarbeitungsprozessen und homogeneren Wanddickenverteilungen. Das Dehnverhalten im Schmelzezustand lässt zudem darauf schließen, dass gerade bei Formteilen, die große Ziehverhältnisse aufweisen, oder die Abformung feiner Strukturen erfordern, geringe Vernetzungsgrade vorteilhaft sind. Eine weitere Reduktion des Vernetzungsgrades für den zukünftigen Einsatz vernetzter Thermoplaste im Thermoformen könnte weiterhin dazu beitragen, die Vernetzungskosten zu reduzieren und den Werkstoff, bei ausreichend geringer Vernetzung, rezyklierbar zu machen.
Publications
- Elongational Rheology of Cross Linked Polymaide 12 and its Relevance for Vacuum Thermoforming. POLYCHAR 20 World Forum on Advanced Materials, Dubrovnik (Kroatien), 2012
Seefried, A., Drummer, D.
- Radiation Cross Linking of Semi-Crystalline Thermoplastics – A Novel Approach in Modifing a Material’s Thermoformability. 8th European Thermoforming Conference 2012, Venedig (Italien), 2012
Seefried, A., Fuchs, M., Drummer, D.
- Multiaxiales Dehnverhalten strahlenvernetzter Polyamidschmelzen. WAK Kunststofftechnik 9 (2013) 6, S. 296-319
Seefried, A., Drummer, D.
- Effects of Thermoforming on the Mechanical Properties of Radiation Cross Linked Polyamide 12. 9th European Thermoforming Conference 2014, Prag (Tschechische Republik), 2014
Seefried, A., Drummer, D.
- Thermoforming radiation crosslinked polyamide - effects of degree of cross linking and thermoforming processing conditions. SPE ANTEC 2014, Las Vegas, USA, S. 2400-2407
Seefried, A., Drummer, D.
