Untersuchung von expandierbaren PLA-Partikelschäumen – Einfluss des Blendsystems auf Verarbeitbarkeit und Eigenschaften

Titelangaben

Dörr, Dominik:
Untersuchung von expandierbaren PLA-Partikelschäumen – Einfluss des Blendsystems auf Verarbeitbarkeit und Eigenschaften.
Bayreuth , 2022 . - VII, 135 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006084

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Abstract

Due to the broad property profile of polymer materials, they can be found in numerous applications. Today, our everyday life is hardly imaginable without them. In addition to the properties, life cycle assessment and life cycle analysis also play an important role in the use of polymers today.
Polymer foams are a special type of polymer material. Due to the flexible shaping possibilities coupled with low densities, polymeric particle foams have established themselves on the market in recent years. However, the production of particle foams is difficult in terms of low densities and simultaneously high welding quality. Here, the development of polymer blend particle foams could simplify the entire manufacturing process. In polymer blends, the properties of the blend partners are combined to advantage. This is a so far hardly explored topic in the field of particle foams.
This work addresses two aspects: On the one hand, both the production of and the molding of an immiscible polymer blend are investigated, and a basic understanding of the different influencing variables on particle foams is established. This should contribute to a simpler development and processing of semi-crystalline polymers to particle foams. On the other hand, the biobased and biodegradable polylactide (PLA) is used as a base polymer to contribute to the life cycle assessment of polymeric particle foams.
In the first part of the work, particle foams were prepared from the semi-crystalline polymers PLA (D8052, Natureworks) and polybutylene succinate (PBS) in different blend compositions. Subsequently, the foamability (density and cell morphology) as well as the processability of the expandable particles to molded parts were investigated. The different blend compositions could be correlated with the foamability (density and morphology) and the moldability (molded part quality). An increasing PBS content made it more difficult to foam the expandable particles, but it was the only way to achieve a high molded part quality (no separation of particles from the molded part).
The second part of the work dealt with another PLA-based blend system. Here, the blend partner PBS was replaced by different types of polyethylene (LDPE). On the one hand, this made it possible to show that the findings obtained can generally also be applied to other polymer blends. On the other hand, it was possible to work out the influences of the polymer topology of the blend partner on the two process steps. For example, blending with a low-viscosity LDPE led to a generally higher molded part quality, but at the same time to an open-cell foam morphology.

Abstract in weiterer Sprache

Aufgrund des breiten Eigenschaftsprofils polymerer Werkstoffe sind diese in zahlreichen Anwendungen zu finden. Unser Alltag ist heute kaum mehr ohne vorstellbar. Neben den Eigenschaften spielt bei der Verwendung von Polymeren heutzutage aber auch die Ökobilanzierung und die Lebenszyklusanalyse eine wichtige Rolle.
Polymere Schaumstoffe sind eine spezielle Art der polymeren Werkstoffe. Am Markt etabliert haben sich hier vor allem polymere Partikelschäume durch Kombination von flexibler Formgebungsmöglichkeit und geringen Dichten. Jedoch ist die Herstellung von Partikelschäumen mit geringen Dichten und gleichzeitig hoher Formteilgüte schwierig. Hier könnte die Entwicklung von geschäumten Polymermischungen (Polymerblends) den gesamten Verarbeitungsprozess vereinfachen. Hierbei werden die Eigenschaften der Blendpartner vorteilhaft kombiniert. Dies ist ein bislang kaum erforschtes Thema auf dem Gebiet der Partikelschäume.
Diese Arbeit greift zwei Aspekte auf: Einerseits werden sowohl die Herstellung als auch die Formgebung zu einem Formteil eines nicht mischbaren polymeren Blendsystems untersucht sowie ein grundlegendes Verständnis der unterschiedlichen Einflussgrößen bei Partikelschäumen aufgebaut. Hierdurch soll ein Beitrag zur einfacheren Entwicklung bzw. Verarbeitung von teilkristallinen Polymeren zu Partikelschäumen geleistet werden. Andererseits wird beispielhaft das biobasierte und bioabbaubare Polylactid (PLA) als Basispolymer verwendet, um einen Beitrag bezüglich der Ökobilanzierung von polymeren Partikelschäumen zu leisten.
Im ersten Teil der Arbeit wurden Partikelschäume aus den teilkristallinen Polymeren PLA (D8052, Natureworks) und Polybutylensuccinat (PBS) in unterschiedlichen Blendzusammensetzungen hergestellt. Anschließend wurde von den expandierbaren Partikeln die Verarbeitbarkeit in Form der Schäumbarkeit (Dichte und Zellmorphologie) und Weiterverarbeitung zu Formteilen (Formteilqualität) untersucht. Die unterschiedlichen Zusammensetzungen konnten dabei mit der Verarbeitbarkeit korreliert werden. Ein zunehmender PBS Anteil erschwerte zwar das Schäumen der Partikel, ermöglichte jedoch überhaupt erst das Erreichen einer hohen Verschweißgüte (kein Lösen einzelner Partikel vom Formteil).
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit einem weiteren PLA basiertes Blendsystem. Hier wurde der Blendpartner PBS durch unterschiedliche Polyethylene (LDPE) Typen ersetzt. Dadurch konnte einerseits gezeigt werden, dass sich die gewonnenen Erkenntnisse generell auch auf andere Polymerblends übertragen lassen. Andererseits war es möglich, die Einflüsse der Polymertopologie des Blendpartners auf die beiden Verarbeitungsschritte herauszuarbeiten. So führte das Blenden mit einem niedrig viskosen LDPE zu einer generell höheren Verschweißgüte jedoch gleichzeitig zu einer offenzelligen Schaummorphologie.