Entwicklung eines kontinuierlichen Schäumprozesses für neuartige expandierte und expandierbare Polycarbonat-Partikel-schäume in struktureller Anwendung

Titelangaben

Weingart, Nick:
Entwicklung eines kontinuierlichen Schäumprozesses für neuartige expandierte und expandierbare Polycarbonat-Partikel-schäume in struktureller Anwendung.
Bayreuth , 2024 . - V,144 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007440

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Abstract

Polycarbonat (PC) ist ein bedeutender thermoplastischer Konstruktionswerkstoff mit hervorragenden Eigenschaften. Die Übertragung des vorteilhaften Eigenschaftsprofils des kompakten PC auf Partikelschäume ermöglicht die Herstellung eines Partikelschaums mit außergewöhnlichen Zähigkeitseigenschaften und einem ausgewogenen Eigenschaftsprofil mit einem sehr breiten Anwendungstemperaturbereich. Schäume aus Standardkunststoffen, wie expandiertes Polystyrol (EPS) oder Polypropylen (EPP) sind in ihrem Anwendungsfenster auf eine Einsatztemperatur bis ca. 80 - 90 °C begrenzt. Partikelschäume aus PC sind aufgrund der schwierigen Prozessführung bisher weder in der Literatur noch in der Industrie realisiert worden.
In dieser Arbeit werden in Zusammenarbeit mit der Firma Covestro Deutschland AG die Grundlagen für die Verfahrenstechnik erarbeitet, um erstmalig einen Partikelschaum aus Polycarbonat herzustellen. Die wichtigsten Aspekte stellen dabei das eingesetzte Polymer und die Partikelschaum-Herstellungsmethode dar. Das Anforderungsprofil für das PC umfasst eine kommerzielle Verfügbarkeit, eine geeignete Schmelzeviskosität (bedingt durch Molekulargewicht oder Kettenarchitektur) und eine Prozessierbarkeit auf einer kontinuierlichen (Stand-der-Technik) Anlage im „Pilot“-Maßstab. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung einer geeigneten Formulierung für einen amorphen PC-Partikelschaum sowie die entsprechende Realisierung in einem geeigneten kontinuierlichen Herstellungsprozess.
Für die anlagentechnische Umsetzung werden zwei, für amorphe Thermoplaste relevante, kontinuierliche Herstellungsrouten betrachtet. Bei der ersten Methode wird die Herstellung von expandierten PC-Partikeln mittels einer Unterwassergranulierung betrachtet. Die Einflussparameter des Prozesses und ihre Auswirkungen auf die Partikeleigenschaften wie Dichte, Geometrie, Morphologie sowie mechanische Eigenschaften werden genauer untersucht. Zusätzlich wird erstmalig die Herstellung eines Partikelschaumes mittels einer Unterluftgranulierung beschrieben und die Einflussparameter auf den Herstellungsprozess und die Eigenschaften des resultierenden Partikelschaums aufgezeigt.
Die zweite Methode umfasst die Herstellung von kompakten, Treibmittel-beladenen, expandierbaren PC-Partikeln. Diese zeichnen sich durch eine längere Lagerstabilität aus und werden in einem weiteren Prozessschritt zu Schaumpartikeln vorexpandiert. In dieser Arbeit wird die Eignung von alkanen Treibmitteln n-Pentan und Cyclopentan zur Herstellung von expandierbaren PC im Hinblick auf die Löslichkeit und die Schäumbarkeit untersucht. Parallel dazu werden die Prozess - Eigenschaftsbeziehungen zwischen der Temperatur und der Zeit beim Vorschäumen auf die resultierende Schaumdichte und Schaummorphologie aufgeklärt.

Abstract in weiterer Sprache

Polycarbonate (PC) is a major thermoplastic engineering material with outstanding properties. Transferring the advantageous properties of compact PC to particle foams enables the production of a particle foam with exceptional toughness and a balanced property profile with a very wide application temperature range. Foams made from standard plastics, such as expanded polystyrene (EPS) or polypropylene (EPP), are limited in their application window to an operating temperature of approx. 80 - 90 °C. Particle foams based on PC have not been realized in either the literature or in the industry due to the challenging process control.
In this work, through a collaboration with Covestro Deutschland AG the fundamentals of process technology are established, aiming to produce a particle foam from polycarbonate for the first time. Most important aspects are the used polymer and the particle foam production method. The requirement profile for the PC includes a commercial availability, a suitable melt viscosity (influenced by molecular weight or chain architecture) and a processability on a continuous (state of the art) “pilot”-scale plant. This work focuses on the development of a suitable formulation for an amorphous PC particle foam as well as on the corresponding continuous manufacturing process.
Two continuous manufacturing routes relevant for amorphous thermoplastics are considered for the technical implementation. In the first method, the production of expanded PC particles by means of underwater pelletizing is considered. The process parameters and their effects on particle properties such as density, geometry, morphology, and mechanical properties are investigated in detail. In addition, the production of a particle foam by means of under-air pelletizing is reported for the first time, in addition to the parameters influencing the production process and the properties of the resulting particle foam.
The second method involves the production of compact, blowing agent-loaded, expandable PC particles. These are characterized by longer storage stability and are pre-expanded to foam particles in a subsequent process step. In this work, the suitability of the alkane blowing agents n-pentane and cyclopentane to produce expandable PC is investigated with regard to solubility and foamability. At the same time, the process - property relationships between temperature and time during pre-foaming on the resulting foam density and foam morphology are elucidated.