Structure-property relationships of polystyrene-based bead foams

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Raps, Daniel:
Structure-property relationships of polystyrene-based bead foams.
Bayreuth , 2020 . - 198 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005200

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Abstract

Expandable polystyrene (EPS, coll. "Styropor", "Unicell", “Styrofoam”) is one of the most used foams. It accounts for one quarter of the current foam production in terms of volume. EPS has a multi-scale morphology since EPS parts consist of many fused foamed beads. The foamed beads themselves contain cells, which are formed of walls and struts as well as the cell gas. In this frame, a variation in bead size causes a significant change of surface area, which needs to be moulded, whereas the variation in cell size leads to an altered micro-morphology (cell walls and struts). However, the effect of the multi-scale morphology on the properties has never been studied in a comprehensive manner to the knowledge of the author. Hence, the aim of the work is the establishment of structure-property relationships as well as the clarification of their fundamental mechanisms for the purpose to be able to tailor the structure for a specific application. Thus further material and cost savings could be possible. EPS and a bead foam made from a blend of polystyrene and polyethylene were studied regarding the effects of cell size, bead size and density on the mechanical and thermal behaviour. Furthermore, the distribution of polymer within a single bead was controlled by the introduction of a solid skin around the beads.
As expected, density is the most important parameter for the foam’s properties. However, a smaller cell size at constant density in EPS leads to more orientation and annealing, which improves the modulus, strength and toughness. Furthermore, the size of polystyrene domains determines the fracture toughness as smaller domains (from smaller cells or a blend) enable more pronounced plastic deformation. Also, the thermal conductivity is improved by smaller cells as the radiative energy transfer is decreased (if the cell walls and struts are not too thin). The bead size at constant density changes the mechanical properties indirectly by affecting the moulding quality and macro-porosity. In terms of beads with a compact thick skin, a method to obtain beads with a 25 times thicker skin compared to “standard EPS” was successfully established to facilitate an internal sandwich effect. Unfortunately, a slight deterioration of the mechanical properties was observed with thicker skins.
These insights provide valuable guidelines to enhance the properties of foams. For example, brittle polymers can be inherently toughened, if the domain size is decreased sufficiently, e.g. by smaller cells or by blending with other polymers. The bead size should be in a suitable range (EPS: 3 – 4 mm) as both too large and too small beads result in deteriorated mechanics. Although, the approach to facilitate an internal sandwich effect was not successful, the study shows that a local plasticisation of the beads´ surfaces with a solvent can enhance the moulding quality and thus the mechanics of the product.

Abstract in weiterer Sprache

Expandierbares Polystyrol (EPS, ugs. "Styropor", "Unicell", “Styrofoam”) ist einer der meist genutzten Schäume. Mehr als ein Viertel der weltweiten Schaumproduktion bezogen auf das Volumen geht in EPS. Als Partikelschaum hat EPS eine mehrskalige Morphologie aus Zellwänden und -stegen, den Zellen, den Schaumpartikeln und schließlich dem Bauteil. In diesem Zusammenhang bedingt eine Änderung der Partikelgröße auch eine Änderung der zu verschweißenden Fläche, wohingegen kleinere Zellen zu einer anderen Mikromorphologie (Zellstege und -wände) führen. Jedoch ist der Wirkzusammenhang der Morphologie und der Schaumteileigenschaften noch nicht umfassend untersucht worden. Deshalb ist es das Ziel der Arbeit Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufzuzeigen und deren zu Grunde liegende Mechanismen aufzuklären. Dafür werden EPS und ein Partikelschaum aus einem Blend aus Polystyrol und Polyethylen bezüglich des Einflusses der Zellgröße, Partikelgröße und Dichte auf die Mechanik sowie die Isolationseigenschaften untersucht. Daneben, wird die Verteilung des Polymers innerhalb eines Partikels durch eine variabel dicke Partikelhaut gesteuert.
Wie erwartet stellt sich die Dichte als wichtigste Einflussgröße auf die Schaumeigenschaften dar. Jedoch führt eine kleinere Zellgröße zu mehr Orientierung der Polymerketten sowie einem stärkeren Tempereffekt, was wiederum Modul, Festigkeit und Zähigkeit erhöht. Des Weiteren bestimmt die Domänengröße der Polystyroldomänen die Zähigkeit maßgeblich, da kleinere Domänen (durch dünnere Wände oder durch einen Blend) größere plastische Deformation erlauben. Auch die Wärmeleitfähigkeit profitiert von kleineren Zellen, da der Energietransport durch IR-Strahlung reduziert wird, falls die Zellwände und Stege nicht zu dünn sind. Im Gegensatz dazu beeinflusst die Partikelgröße die Mechanik indirekt durch einen Einfluss auf die Verschweißungsqualität oder Makroporosität. In Rahmen der Untersuchung zum Einfluss der Wandstärke der Partikelhaut wurde eine Methode entwickelt mit welcher 25-mal dickere Partikelwände (nicht Zellwände!) im Vergleich zu „Standard-EPS“ erzielt werden können um einen inneren Sandwicheffekt hervorzurufen. Leider wurde aber eine geringe Verschlechterung der Eigenschaften mit dickerer Schaumhaut beobachtet.
Die gefundenen Erkenntnisse sind ein wertvoller Leitfaden um bessere Schaumeigenschaften zu erreichen. So zeigt sich, dass eigentlich spröde Kunststoffe durch dünne Zellwände und Stege oder durch Blenden inhärent zähmodifiziert werden können. Die Partikelgröße muss in einem bestimmten Bereich (EPS: 3 – 4 mm) liegen um gute Eigenschaften zu erhalten. Obwohl sich der Weg zu einem inneren Sandwicheffekt als nicht wirksam erwies, zeigte sich im Rahmen der Untersuchung, dass eine lokale Plastifizierung der Schaumhaut durch ein Lösungsmittel vor dem Formschäumen die Verschweißungsqualität und damit die Produkteigenschaften verbessert.