Einfluss der Stoffeigenschaften von treibmittelbeladenen Schmelzen auf die Bildung und Struktur von Kunststoffschäumen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten; Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510591037

Das Schäumen von Kunststoffen spielt in der Kunststoffindustrie eine wichtige Rolle, da auf diese Weise Bauteile mit geringer Dichte, guten Wärmeisolationseigenschaften und guter Schalldämmung hergestellt werden können. Entscheidend für das Eigenschaftsprofil der geschäumten Bauteile ist die Schaumstruktur, welche abhängig von den Prozessparametern und den Eigenschaften der eingesetzten Arbeitsstoffe stark variiert. Die Vorhersage der Schaumstruktur erfolgt bisher über die Betrachtung der einzelnen Schritte des Schäumprozesses. Sowohl für die Keimbildung von Gasblasen als auch das Blasenwachstum in der treibmittelbeladenen Kunststoffschmelze existieren verschiedene Modelle, die im Laufe der Zeit immer wieder modifiziert wurden, da sie das Ergebnis des Schäumprozesses bisher nicht zufriedenstellend abbilden können. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Mangel an genauen Daten für die Stoffeigenschaften der Arbeitsstoffe in prozessrelevanten Zuständen. Bislang getroffene, vereinfachende Annahmen, wie z. B. ein Newtonsches Viskositätsverhalten und ein konstanter, zustandsunabhängiger Diffusionskoeffizient der treibmittelbeladenen Kunststoffschmelze, stehen zudem im Widerspruch zur Komplexität des Schäumprozesses, der von wechselseitigen Abhängigkeiten der Eigenschaften der eingesetzten Arbeitsstoffe, deren Zuständen und der Teilprozessschritte an sich geprägt ist.Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Einfluss insbesondere von Löslichkeit, Diffusionskoeffizienten und Viskositäten der treibmittelbeladenen Kunststoffschmelze auf den Bildungsprozess von Kunststoffschäumen anhand systematisch ausgewählter Modellsysteme besser zu verstehen. Dies soll es zukünftig ermöglichen, die Eigenschaften solcher Schäume auf Basis der mess- und kontrollierbaren Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Gemischzusammensetzung vorherzusagen. Dazu soll der Ursache-Wirkungs-Zusammenhang zwischen den genannten Stoffeigenschaften und der resultierenden Schaumstruktur erfasst werden. Die Arbeitsstoffeigenschaften sollen hierbei als Funktion der thermischen Zustandsgrößen abgebildet und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Für die Analyse der Informationskette von den Stoffeigenschaften der treibmittelbeladenen Schmelze bis zum Kunststoffschaum sollen experimentelle Methoden wie z. B. die Dynamische Lichtstreuung, Raman-Spektroskopie, Rheometrie, Schaumextrusion und Computertomographie zum Einsatz kommen und zum Teil methodisch weiterentwickelt werden. Insbesondere für die Aufstellung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden die experimentell eingestellten Zustände auch mittels MD-Simulationen betrachtet, wodurch Einblick in die Fluidstruktur gewährt und eine Weiterentwicklung zur zuverlässigen Berechnung der Stoffeigenschaften angestrebt wird. Die gefundenen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sollen zur Interpretation des makroskopischen Verhaltens und für die Weiterentwicklung von Modellen zu Blasenbildung und -wachstum im Schäumprozess genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen