Analyse der Blasenbildung in treibmittelbeladenen Kunststoffschmelzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im abgeschlossenen Forschungsprojekt wurde die initiale Blasenbildung während der Schaumextrusion untersucht. Zur Beschreibung des Einflusses von Temperatur, Druck und Treibmittelkonzentration auf die Viskosität treibmittelbeladener Kunststoffschmelzen wurden Superpositionsprinzipien herangezogen. Der Temperatureinfluss konnte über den Arrhenius-Ansatz, der Druckeinfluss über die Barus-Gleichung beschrieben werden. Für die Treibmittelkonzentration wurde angenommen, dass deren Einfluss dem des Drucks entgegenwirkt, was durch die erfolgreiche Bildung einer Masterkurve der Inline-Viskositätsmessungen bestätigt wurde. Das dehnrheologische Fließverhalten zeigte eine Abhängigkeit von Temperatur, Dehngeschwindigkeit und Zeit. Transiente und uniaxiale Dehnviskositätsmessungen belegten, dass dieses Verhalten primär durch die Polymerkettenkonstitution bestimmt wird. Bei linearem Polystyrol trat keine Dehnverfestigung auf, insbesondere bei geringen Dehngeschwindigkeiten. Bei hohen Dehngeschwindigkeiten kam es zwar zu einer Spannungsüberhöhung, jedoch nicht zu echter Dehnverfestigung - der Effekt war zeitbedingt. Bei verzweigtem Polylactid hingegen trat bei allen untersuchten Bedingungen eine Dehnverfestigung bei hohen Hencky-Dehnungen auf. Mit dem MSF-Modell konnte das gesamte transiente und uniaxiale Dehnviskositätsverhalten über alle Dehngeschwindigkeiten und Temperaturen exakt modelliert werden. Es wurde angenommen, dass die unter Scherdeformation ermittelten Superpositionsprinzipien auch auf Dehndeformation übertragbar sind. Dadurch konnte eine modellbasierte Beschreibung der transienten Masterkurve unter Dehnbelastung entwickelt werden - ebenso für die Modellierung der transienten und äquibiaxialen Dehnviskosität mit dem erweiterten MSF-Modell. Erstmals gelang somit eine allgemeingültige Beschreibung der transienten, äquibiaxialen Dehnviskosität am Blasenrand während des Wachstums. Die Viskosität am Blasenrand hatte einen dominanten Einfluss auf das initiale Blasenwachstum. Mit steigender Temperatur nahm die Treibmittelexpansion zu, da die Viskosität sank und das Wachstum weniger gehemmt wurde. Auch eine höhere Treibmittelbeladung führte zu stärkerem Blasenwachstum. Das initiale Dehndeformationsverhalten konnte in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Treibmittelgehalt modelliert werden. Die mittlere Hencky-Dehnung am Blasenrand stieg mit Temperatur und Treibmittelkonzentration, während die mittlere Dehngeschwindigkeit über die Zeit rasch abnahm. Das Blasenwachstum war im initialen Bereich stark viskositätsgetrieben; der diffusionsgetriebene Anteil setzte später ein. Je niedriger die Viskosität, desto schneller und früher stieg der simulierte Blasenradius an. Mit dem entwickelten Blasenwachstumsmodell und der berechneten äquibiaxialen Dehnviskosität ließ sich das experimentelle Blasenwachstumsverhalten sehr genau vorhersagen - eine Genauigkeit, die mit einer konstanten Nullviskosität, wie in der Literatur üblich, nicht erreicht werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inline-Viskositätsmessung von treibmittelbeladenen Kunststoffschmelzen. In: Tagungsband des 27. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums, Stuttgart 2021, S. 57–63. ISBN 978-3-9818681-2-8
T. SCHAIBLE, F. GRAUF und C. BONTEN
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Mutual and Thermal Diffusivities in Polystyrene Melts with Dissolved Nitrogen by Dynamic Light Scattering. Macromolecules, 54(12), 5662-5672.
Piszko, Maximilian; Schaible, Tobias; Bonten, Christian & Fröba, Andreas P.
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Visuelle Analyse des Expansionsverhaltens von treibmittelbeladenen Kunststoffschmelzen während der Unterwassergranulierung. In: Tagungsband des 27. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums, Stuttgart 2021, S. 73–79. ISBN 978-3-9818681-2-8
T. SCHAIBLE, K. GEIGER und C. BONTEN
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In-line measurement and modeling of temperature, pressure, and blowing agent dependent viscosity of polymer melts. Applied Rheology, 32(1), 69-82.
Schaible, Tobias & Bonten, Christian
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Elongational viscosity analysis and modeling of a modified polylactide for foaming applications. AIP Conference Proceedings, 2773(2023), 080002. American Geophysical Union (AGU).
Schaible, Tobias & Bonten, Christian
