Vernetzte Halbzeuge für hochbeanspruchte Thermoformanwendungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Transferprojekts war es, die von PA 12 bekannten Kenntnisse zum Thermoformen strahlenvernetzter Werkstoffe auf weitere teilkristalline Thermopaste zu übertragen. Hierbei sollten insbesondere mögliche Wechselwirkungen zwischen Zusatzstoffen, wie Vernetzungsmittel, Füllstoffe (z. B. Glasfasern, -kugeln) oder Pigmente, und der energiereichen Strahlung auf die Halbzeug- wie auch die Bauteileigenschaften herausgearbeitet werden. Diese Untersuchungen sollten aufzeigen, ob auch für andere Thermoplaste als PA 12 vorteilhafte thermomechanische, rheologische und ggf. chemische Eigenschaften durch eine Vernetzung erzielt werden können. Weiterhin sollte für die ausgewählten Werkstoffe die Einflüsse der Halbzeugherstellung wie auch einer Halbzeugkonditionierung auf den Vernetzungsprozess charakterisiert werden. Eine Korrelation zwischen werkstofflichen Eigenschaften und resultierenden Bauteileigenschaften im Thermoformen sollte vorgenommen werden. Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragestellungen wurde einerseits ein Polyamid 6 (PA 6) und ein Polyamid 66 (PA 66) verwendet, welche industriell häufig für technische Bauteile eingesetzt werden, herkömmlich aber nicht thermoformbar sind. Weiterhin fand mit Polyethylen (PE-HD) ein kostengünstiges Polyolefin Verwendung, welches im Thermoformen wie auch im Strahlenvernetzten bereits grundlegend erforscht ist. Durch eine Füllstoffzugabe sollten hierbei die mechanischen Eigenschaften verbessert werden, um auch PE-Thermoformbauteile für höher beanspruchte Anwendungen qualifizieren zu können. Die erarbeiteten Synergien zwischen Werkstoff, Füllstoffmodifizierung, Thermoformprozess und Bauteil zeigen, dass der Einsatz von Pigmenten bei PE-Folien keinen wesentlichen Einfluss auf Halbzeug- und Bauteileigenschaften wie Dehn- oder Wanddickenverteilungen nimmt. Allerdings konnte durch die Ausnutzung von schwarzen Pigmenten eine erhebliche Prozesszeitverkürzung um 30 % erzielt werden, welche industriell eine Effizienzsteigerung ermöglichen kann. Das Prozessfenster gefüllter PE-Folien konnte durch eine Strahlenvernetzung deutlich erweitert werden. Die Zugabe sphärischer Füllstoffe nimmt unabhängig vom Füllstoffgehalt keinen Einfluss auf das Dehnverhalten und es werden ähnliche Ergebnisse wie bei ungefüllten Folien erreicht. Bei faserförmigen Füllstoffen stellt sich ein deutliches konzentrationsabhängige Umformverhalten ein. Die Umformung unvernetzter glasfasergefüllter PE-Folien ist lediglich für geringe Oberflächenstreckverhältnisse (Ra = 1,3; Ra = 1,5) und geringe Füllgrade (7,5 Vol.-%) möglich. Eine Strahlenvernetzung ermöglicht einerseits die Umformung höher gefüllter Folien (10 und 15 Vol.-%), andererseits sind für Folien mit einem Füllgrad von 7,5 bzw. 10 Vol.-% höhere Verstreckgrade von Ra = 2,0 durch eine Strahlenvernetzung erreichbar. Die Umformbarkeit wird dabei im Wesentlichen durch das Vorhandensein von Vernetzungspunkten, weniger durch die Höhe der Bestrahlungsdosis, beeinflusst. Die Umformeigenschaften zeigten dabei für geringe als auch hohe Verstreckverhältnisse nur eine geringfügige Abhängigkeit von den Extrusioneigenschaften. Die Prozessgrenzenerweiterung, die durch den Einsatz der Strahlenvernetzung bei gefüllten Halbzeugen erreicht wird, eröffnet insbesondere neue industrielle Anwendungsgebiete für das Thermoformen mechanisch belastbarer PE-Bauteile und ermöglicht es gegebenenfalls, technische Werkstoffe wie beispielweise PA partiell durch kostengünstigere Polyolefine zu ersetzten. Die Verarbeitbarkeit von ungefülltem strahlenvernetzbaren Polyamid 6 bzw. 66 im Extrusionsprozess stellte eine große Herausforderung dar. Hierbei konnte ein Ausdampfen des Vernetzungsadditivs durch Anpassung der Extrusionsparameter nicht verhindert werden. Die Verarbeitung eines eigencompoundierten, glasfasergefüllten PA-6 Trockenblends ermöglichte es allerdings, PA 6 im Thermoformprozess zu erforschen. Hierbei zeigten sich im wesentlichen ähnliche Effekte, wie bei der Umformung von gefülltem PE-HD. Die optischen Analysen zeigten dabei allerdings im Folieninneren Lunker, die vermutlich durch ausdampfendes TAIC hervorgerufen wurden. Der für das Thermoformen niedrige Vernetzungsgrad (< 5 %) ist für eine Verbesserung der Chemikalienbeständigkeit zu gering. Im Rahmen des Projektes konnten zahlreiche Wechselwirkungen zwischen einer Strahlenvernetzung und Zusatzstoffen, wie Füllstoffen oder Pigmenten, herausgearbeitet werden. Das Potential der Vernetzung zur Verbesserung der Thermoformbarkeit teilkristalliner Thermoplaste konnte dabei auf weitere, zum Teil modifizierte Polymere übertragen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Elongation behaviour of filled semi-crystalline polymers in thermoforming. In: AMPT2018, 4th - 7th September 2018, Dublin City University, Dublin, Ireland
Wittmann, L.-M.; Kurth, K.; Drummer, D.
- Influence of an Increased Fiber Filler Content on the Elongation Behavior of Filled Films in the Thermoforming Process In: American Journal of Mechanical and Materials Engineering. Vol. 3, No. 2, 2019, pp. 25-35
Wittmann, L.-M.; Wolf, M.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.11648/j.ajmme.20190302.11) - Influence of radiation-crosslinking on the elongation behaviour of glass-fibre-filled sheets in the thermoforming process. In: Journal of Polymer Engineering 2019
Wittmann, L.-M.; Wolf, M.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/polyeng-2019-0050)
