Kinetische Modellierung und experimentelle Validierung des Autoklavprozesses zur Herstellung thermoplastischer Partikelschäume

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Jess; Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563668306

Thermoplastische Partikelschaumstoffe tragen durch geringe Dichten, gutes Isolationsverhalten, einzigartige mechanische Eigenschaften und einfache Rezyklierbarkeit wesentlich zur Nachhaltigkeit bei, so bei der Wärmedämmung im Bauwesen, bei Verpackungen, Sohlenmaterialien in Sportschuhen oder bei Energieabsorbern im Transportwesen. Neben der Suspensionspolymerisation und der Extrusion ist der Autoklavprozess ein wichtiges Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Partikelschäume wie expandiertem Polypropylen und Polyurethan. In diesem Prozess wird als Ausgangsmaterial Mikrogranulat eingesetzt und in einem Rührkesselautoklav zu geschäumten Granulaten verarbeitet. Dazu wird zunächst eine Suspension aus dem Mikrogranulat in Wasser und ggf. Zusatzstoffen gebildet. Anschließend erfolgt bei einem vorgegebenen Druck- und Temperaturprofil die Beaufschlagung mit einem oder mehreren Treibmitteln, meist Kohlendioxid oder Butan. Dabei soll sich das Treibmittel durch Diffusionsprozesse möglichst bis zur Sättigung lösen. Anschließend wird durch Entspannen ein rascher Druckabfall erzeugt, was zur Entmischung und zum Aufschäumen der Partikel führt. Trotz der industrialisierten Fertigung ist über die wissenschaftlich-technischen Grundlagen der Schaumpartikelherstellung noch zu wenig bekannt. Dafür ist ein besseres Verständnis der Wärme- und Stoffübergangsprozesse, eine exakte Bestimmung von Stoffgrößen und eine modellhafte Beschreibung der verfahrenstechnischen Vorgänge notwendig. Im geplanten Projekt werden gezielt die komplementären Kompetenzen des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe im Bereich Schaumherstellung bzw. -charakterisierung und des Lehrstuhls für Chemische Verfahrenstechnik im Bereich Sorption und Stofftransport genutzt. Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist die kinetische Modellierung, experimentelle Validierung und datenbasierte Auslegung des Autoklav-Prozesses zur Herstellung thermoplastischer, teilkristalliner Schaumpartikel aus PP. Das Vorhaben setzt sich aus mehreren Arbeitspakten von der Analyse der Stoffdaten über die modellhafte Beschreibung des Sorptionsverhaltens und Autoklavversuche bis zur datenbasierten Modellierung zusammen. Zunächst werden spezifisch gewählte Materialien zu Mikrogranulaten verarbeitet und analytisch charackterisiert. Daraus werden erste Sorptionsmodelle aufgestellt, die mittels Autoklavverschen validiert werden. Außerdem werden die erhaltenen Schaumstoffe untersucht, um ein Verständnis entlang der Prozesskette vom Rohmaterial bis zum Partikelschaum aufzubauen. Abschließend sollen die Resultate mittels maschineller Lernmethoden analysiert werden, um ein tieferes Prozessverständnis aufzubauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen