Schaumstoff

Ein Schaumstoff ist ein Kunststoff, dessen Struktur durch viele Zellen (von Grundmaterial eingeschlossene Hohlräume, Poren) gebildet wird. Es eignen sich fast alle Kunststoffe zum Schäumen.

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Einteilung

• Geschlossenzelliger Schaumstoff: die Wände zwischen den einzelnen Zellen sind komplett geschlossen.
• Offenzelliger Schaumstoff: die Zellwände sind nicht geschlossen, diese Schaumstoffe können daher Flüssigkeiten aufnehmen.
• Gemischtzellige Schaumstoffe enthalten beide Arten von Zellen.
• Integralschäume: Sie haben eine geschlossene dicke Außenhaut und einen zelligen Kern, die Dichte nimmt nach innen hin ab.

Eigenschaften

Schaumstoffe zeichnen sich durch eine sehr niedrige Dichte (hier Raumgewicht genannt) und Wärmeleitfähigkeit bei nur geringer Festigkeit aus. Die Ver- und Bearbeitbarkeit ist bei geringen Werkzeugkosten einfach möglich. Bedingt durch den inneren Aufbau, sind Bauteile aus Schaumstoff nahezu eigenspannungsfrei.

Festigkeiten und Gewicht

• Die Festigkeit wird in Stauchhärte (meistverbreitet aber ungenau) oder Eindruckhärte (unbekannter aber aussagekräftiger) ausgedrückt.
• Das Raumgewicht wird in kg/m³, veraltet auch g/l, angegeben.

Das Raumgewicht und die Stauch- bzw. Eindruckhärte sind zumeist nicht von einander abhängig. Ein schwerer Schaumstoff muss kein fester Schaumstoff sein. Dies ist vielmehr vom Einsatz der Rohchemikalien, dem „Wetter“ (das relative Klima bei der Schäumung) und den handwerklichen Fähigkeiten des Schäummeisters abhängig. Daraus ergeben sich Toleranzen. Festigkeitstoleranzen werden im Bereich +/− 15 % von Charge zu Charge und innerhalb der Charge akzeptiert.

Schäumverfahren

Nach Art der Herstellung unterscheidet man:

• physikalisches Schäumen: Das Material wird durch einen physikalischen Vorgang geschäumt.
• chemisches Schäumen: Dem Kunststoffgranulat wird ein Treibmittel, meist in Form eines sogenannten Masterbatchgranulates, zugegeben. Durch Wärmezufuhr spaltet sich ein flüchtiger Bestandteil des Treibmittels ab, was zum Aufschäumen der Schmelze führt.

• mechanisches Schäumen: Hierbei wird Luft in das zu schäumende Harz oder Paste eingerührt, durch Vernetzen des Harzes oder durch Gelieren der Paste, verfestigt sich dieser Schaumstoff.

Schaumextrusion

Bei der Herstellung von PP-E-Partikelschaum (ebenso möglich ist dies für Polyethylen, Polystyrol, PET oder Biopolymere) wird aufgeschmolzenes Polypropylen im Extruder unter hohen Drücken mit Treibgas (z. B. Pentan, CO₂) versetzt. Beim Austreten aus einer Lochdüse expandiert der Kunststoff auf das 20- bis 50-fache. Die entstehenden Schaumstränge werden durch rotierende Messer im Wasserringgranulator oder Unterwassergranulator zu Schaumpartikeln von ca. 2–8 mm Durchmesser gekürzt, vom Wasser abgeschieden, getrocknet, in Silos konditioniert und dann im sog. Formteilprozess zu Schaumformteilen verarbeitet.

Formteilprozess

Der Formteilprozess dient zur Verarbeitung von Schaumstoffpartikeln (EPS, EPP, EPE) zu Schaumstoffformteilen.

Schaumstoffkügelchen mit Durchmessern von ca. 1–8 mm werden in poröse Aluminiumformen eingeblasen und mittels Heißdampf (ca. 1,2 bar für EPS, ca. 3 bar bei EPP) miteinander versintert. Nach der Abkühl- und Stabiliserphase können die neu entstandenen Formteile entformt werden.

Dieses Herstellverfahrfahren ermöglicht es, thermoplastische Schaumteile im Dichtebereich zwischen ca. 12 Kg/m³ und 300 Kg/m³ bei sehr homogener Dichteverteilung über das gesamte Schaumteil herzustellen. Direktschäumverfahren mit chemischen oder physikalischen Treibgasen beim Spritzguss erlauben dies wegen der begrenzten Abkühlgeschwindigkeit bei größeren Wandstärken nicht.

Der Formteilprozess ist sehr energieintensiv, da bei jedem Zyklus (Schuss) das Werkzeug (Form) und einige Teile des Formteilautomaten aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen.

Anwendungsgebiete der EPP-Formteile sind z. B. Isolierbehälter, Heizungsisolationen, Mehrwegtransportverpackungen und in zunehmendem Maße Automobilteile wie Stoßfängerkerne, Sonnenblenden, Crashpads, Toolboxen (die in der Ersatzradfelge liegen und z. B. Anhängerkupplung, Wagenheber und Bordwerkzeug aufnehmen) oder Freizeitartikel vgl. [1].

Die Schaumextrusion von Partikelschaumstoffen bietet folgende Vorteile gegenüber im Autoklaven hergestellten Partikelschäumen:

• kostengünstige Herstellung, da ein Verfahrensschritt entfällt (Autoklavbehandlung)
• einfacherer und schnellerer Farbwechsel

Nachteile des Extrusionsmaterials hingegen sind eine durchschnittlich höhere Verarbeitungstemperatur, verbunden mit einem höheren Energieverbrauch und teilweise deutlich schlechtere mechanische Eigenschaften relativ zur Dichte im Vergleich zu Autoklavmaterial.

Styroporverfahren

Expandiertes Polystyrol (EPS) wird durch physikalisches Schäumen hergestellt: Das treibmittelhaltige Granulat (5 % Pentan) wird zunächst durch Erhitzen mit Wasserdampf bei ca. 105 °C bis auf das 40 bis 80-fache Volumen vorgeschäumt und danach zwischen 3 und 48 Stunden bei Raumtemperatur zwischengelagert, so dass danach das Pentan bis auf einen Anteil von ca. 3 % entweichen und Luft eindringen kann. Somit wird die Entstehung eines Vakuum im Inneren vermieden. Beim Fertigschäumen wird das vorgeschäumte EPS in eine Form gefüllt und durch weiteres Erhitzen auf ca. 130 °C mit Wasserdampf expandiert, das heißt, es füllt die Form und die einzelnen Teilchen verschmelzen an den Rändern. Bei großen Blockformen wird meist zudem vor dem Einbringen des Wasserdampfes ein Vakuum angelegt, um das Expandieren der EPS-Teilchen zu begünstigen.

Die Dichte wird durch den Vorschäumgrad bestimmt. Wird dieser jedoch zu groß, so fällt das fertige Produkt zusammen.

TSG

Durch Zugabe von Treibmitteln zu einer Reihe von Thermoplasten, auch solche mit Füllstoffen (Glas- oder Karbonfasern) lassen sich Schaumstrukturen in Spritzgussteilen erstellen. Die Treibmittel können je nach Art und Konsistenz dem Granulat in wenigen Prozent zugemischt oder der Schmelze im Zylinder in flüssigem Zustand unter hohem Druck zugepumpt werden. Im Kern besitzen die entstehenden Formteile eine Schaumstruktur, zur Oberfläche hin eine weitgehend kompakte Außenhaut. Das Verfahren wird angewendet, um z. B. dickwandige Partien an Spritzgussteilen mit einem Schaumkern zu versehen, um Einfallstellen zu vermeiden bis hin zur Innenschäumung relativ dickwandiger Formteile, um Gewicht sparen zu können, ohne die Wanddicke reduzieren zu müssen. Man wendet das Verfahren bei Wanddicken ab 2 mm, aber meist bei Wanddicken zwischen 4 und 20 mm an.

Die erforderlichen Drücke für den Einspritzvorgang in das Werkzeug und den Nachdruck sind erheblich niedriger, als für das normale Spritzgießen. So sind die Maschinen meist nur mit Einspritzdrücken bis ca. 1000 bar ausgestattet. Die großen Schussgewichte realisiert man oft mit Kolbeneinspritzaggregaten, die durch eine Vorplastifizierschnecke befüllt werden. Ein Nachdruck kann meist entfallen, da die Konturbildung in der Werkzeughöhlung durch die Expansion des Treibmittels erfolgt. Abgesehen von dem zuletzt genannten Unterschied ist das Verfahren dem normalen Spritzgießen prinzipiell sehr ähnlich. Jede normale Spritzgießmaschine ist für das Verfahren verwendbar.

Das TSG-Verfahren eignet sich dafür, besonders steife Konstruktionen zu erstellen, da beliebige Wanddickenunterschiede herstellbar sind, ohne dass Einfallstellen entstehen. Häufig werden auf Rundtischmaschinen mehrere Werkzeuge nacheinander eingespritzt. Damit wird die Ausbringung trotz langer Kühlzeiten (durch die großen Wanddicken) verbessert.

PUR-Schäumen

Hier werden im Gegensatz zum Styroporverfahren flüssige, reaktionsfähige Ausgangstoffe vom Verarbeiter verwendet. Werden Polyole mit Isocyanaten und dem Treibmittel (meist Wasser) vermischt, so reagiert das Polyol mit dem Isocyanat in einer Polyaddition zu PUR (Polyurethanschaum) und das Treibmittel bildet Gaseinschlüsse (bei dem Treibmittel Wasser reagiert dieses mit einem Teil des Isocyanates wobei Kohlendioxid freigesetzt wird). Zusatzstoffe wie auch das Treibmittel werden im Polyol beigemengt, so dass meist zwei Komponenten zum Einsatz kommen.

Je nach Auswahl des Ausgangsstoffe können die Eigenschaften eingestellt werden. So erhält man bei Verwendung von langkettigen Polyolen weiche bis elastische Schäume, oder bei kurzkettigen Polyolen stark vernetzte harte Schaumstoffe.

Als Hauptverfahren kann man das kontinuierliche Bandschäumen und die beiden diskontinuierlichen RSG (Reaktionsschaumguss) und RIM (Reaktion-Injektions- Moulding) bzw. Niederdruck und Hochdruck-Verfahren, wobei das letztere immer mehr Verbreitung findet.

Bei den diskontinuierlichen Verfahren muss beachtet werden, dass Ringleitungen installiert werden, um ein „Abstehen“ oder ein Entmischen zu verhindern, denn z. B. das Isocyanat sollte über 15 °C warm sein, da es sonst kristallisiert. Des weiteren sollte auch ein Reinigungssystem für den Mischkopf vorgesehen werden, um ein Verkleben zu verhindern.

RRIM

Beim RRIM (Reinforced Reaction Injection Moulding) werden zwei Komponenten (Polyol und Isocyanat) und ein Verstärkungsstoff (z. B. Glasfaser, Kohlefaser, Gesteinsmehl) im sogenannten Mischkopf gemischt und unter hohem Druck in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Nach der exothermen Reaktion der Komponenten ist der duroplastische Kunststoff Polyurethan entstanden und kann dem Werkzeug entnommen werden. Anwendungsbeispiele sind Außenhautteile in der Automobilindustrie, wie Kotflügel, Schweller- und Stoßfängerverkleidungen. Ein Vorteil des Polyurethans gegenüber thermoplastischen Kunststoffen liegt in der relativ hohen Wärmeformbeständigkeit.

MuCell™-Verfahren

Die MuCell™-Technologie ist ein Verfahren zur Herstellung physikalisch geschäumter Thermoplasten mit Maschinen für mikrozellulär geschäumte Formteile. Als Treibmittel werden Stickstoff oder Kohlendioxid eingesetzt. Das Gas wird in einem Dosiersystem aufbereitet und in den überkritischen Zustand versetzt. Es entsteht eine Flüssigkeit (SCF = SuperCritical Fluid), die sich gut dosieren und steuern lässt.

Das MuCell™-Verfahren ist durch weltweite Patente geschützt. Für seine Anwendung ist eine Lizenz der Firma Trexel Inc., Woburn, MA, USA erforderlich.

Beispiele

• Thermoplastische Schäume (z. B. PS-E PP-E und PVC-E)
• Elastomere Schäume (z. B. PUR-Weichschaum, NBR)
• Duroplastische Schäume (z. B. PUR-Hartschaum, PF)