Bioabbaubare Kunststoffe werden als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen angepriesen. Für ihren Abbau sind allerdings häufig ganz bestimmte Bedingungen notwendig. Welche das konkret sind und wie sich verschiedene Verarbeitungsarten sowie chemische Veränderungen auswirken, ist noch nicht hinreichend erforscht. In einem Forschungsprojekt wurde das nun für geschäumtes und ungeschäumtes chemisch modifiziertes Polylactid (PLA) untersucht.

Wie sich die Modifizierung von PLA auf die Bioabbaubarkeit des Polymers auswirkt, war bisher noch nicht ausreichend untersucht

Lassen sich auch chemisch modifizierte PLA-Schäume biologisch abbauen?

Kunststoffe, biobasiert

Kunststoff Werkstoffe

Biokunststoffe

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Kunststoffe

Photonik

Optik

Polylactid

Thermoplaste

Kunststoffe, bioabbaubar

Auf den Kompost, statt in den Müll

Auch bei Partikelschäumen steigt das Interesse am Einsatz von Biopolymeren. Dass sich Sintern und Schweißen der Schaumpartikel auch mit Blends aus Polylactid (PLA) und Polyhydroxybutyrat-co-Valerat (PHBV) durchführen lässt, zeigt ein Forschungsprojekt.

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Blends aus PLA und PHBV können expandiertes Polystyrol ersetzen

Blend

Biobasierte Polymeralternativen für  Partikelschäume

Kontinuierliche Herstellung nachhaltiger Partikelschaumstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe

Schaumstoffe

Schaumstoffe und Vorprodukte

Untersuchung des Schäumverhaltens von Polylactid und Polylactid/Poly(hydroxybutyrat-co-hydroxyvalerat)-Blends in der Partikelschaumextrusion

Zum 20. Firmenjubiläum wird der Standort in Sachsen weiter ausgebaut und zum Innovationszentrum für expandiertes Polypropylen und Sonderschaumprodukte der Unternehmensgruppe entwickelt.

Das Führungsteam von Schaumaplast Nossen

Schaumaplast Nossen baut Standort aus

Bioschäume kombinieren die Vorteile von Biokunststoffen und Polymerschäumen. Doch welche Kunststoffe und Schaumverfahren stehen für deren Herstellung gegenwärtig überhaupt zur Verfügung? Ein Überblick über den aktuellen Stand bei Bioschäumen.

Materialüberblick Bioschäume

Kombiniert zu höherer Nachhaltigkeit

Interview mit Uwe Rothaug, Geschäftsführer der Kurtz GmbH & Co. KG

Uwe Rothaug, Geschäftsführer der Kurtz GmbH & Co. KG

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Kreislaufwirtschaft

„Nachhaltigkeit kostet Geld, keine Frage“

Formänderungsstrukturen können ihre Gestalt unter dem Einfluss externer Stimuli verändern. Die Formänderung ist selbstinduziert, benötigt also keine Energiezufuhr. Noch nachhaltiger ist das, wenn die Bauteile aus Biokunststoffen hergestellt werden.

Prototyp eines wettersensitiven formändernden Fassadensystems

Biokunststoffe für Formänderungsstrukturen

Additive Fertigung

Gestaltwandler mit grünem Herzen

Naturfasern bleiben im Biomüll an vielen Stellen übrig. Durch Trocknen, Mahlen und Mischen mit Polylactid (PLA) entsteht aus den Schalen ein Biokunststoff, dessen Verwendung das Turiner Designstudio Carlo Ratti Associati in einem Projekt mit dem Energieunternehmen Eni spektakulär in Szene gesetzt hat.

Messeveranstalter

Dienstleistungen

Naturmaterialien

Verstärkungsstoffe

Sommer, Sonne, saftige Ideen

Biopolymere sind in Reinform nur schlecht zu verarbeiten. Zur Blasfolienextrusion des Biokunststoffs PHBV müssen diesem etwa Weichmacher beigemischt werden. Der Einsatz konventioneller Additive macht jedoch oft den Umweltgedanken zunichte. Durch die Verwendung eines bioabbaubaren Weichmachers auf Basis von Zitronensäure ist es möglich, kompostierbare Blasfolien mit einem Anteil von nahezu 70 % PHBV herzustellen.

Der Einsatz bioabbaubarer Kunststoffe ist bei Agrarfolien besonders wichtig, da sich die Folien nach der Nutzung nur schwer wieder einsammeln lassen. Deshalb verbleiben häufig Rückstände von ihnen im Boden

Citrate ermöglichen die Blasfolienextrusion von PHBV, ohne die Abbaubarkeit zu beeinflussen

Weichmacher

Additive

Blasfolienextrusion

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Bioabbaubar trotz Additiven

Für die additive Fertigung von auxetischen Strukturen sind spezielle Materialeigenschaften notwendig. Modifiziertes PLA lässt sich im Strangablegeverfahren zu entsprechenden Bauteilen verarbeiten. Blends aus PLA und PBAT bieten sich dafür besonders an.

Auxetische Strukturen lassen sich kostengünstig additiv fertigen, beispielsweise im Strangablageverfahren

Bio-Blends für den 3D-Druck von auxetischen Strukturen

Verfahren für die additive Fertigung

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Modifiziert, biobasiert und 3D-druckbar

Die Idee hinter bioabbaubaren Kunststoffen ist einleuchtend: Sind Polymere biologisch abbaubar, zersetzen sich in die Umwelt gelangte Kunststoffabfälle dort selbstständig. In der Praxis lässt sich das leider nicht so einfach umsetzen. Ein Überblick über die unterschiedlichen bioabbaubaren Kunststoffe und deren Eigenschaften.

Bioabbaubare Kunststoffe sind immer wieder im Gespräch für Einwegkunststoffartikel wie Becher und Besteck, die häufig in die Umwelt gelangen 

Polymerüberblick bioabbaubare Kunststoffe

Wo zerfällt er denn, der Kunststoff?

Durch die Zusammenarbeit der Polymer-Gruppe und des Fraunhofer-Institut wurde ein neues Polylactid entwickelt. Nicht nur die Herstellung soll effizienter sein, sondern auch der Biokunststoff deutlich flexibler, was eine breitere Anwendung ermöglicht.

Dr. Gerald Hauf, Geschäftsführer der Polymer-Gruppe, und Dr. Antje Lieske, Leiterin der Abteilung »Polymersynthese« am Fraunhofer IAP, entwickelten zusammen das neue Polylactid.

Die Entwicklung neuartiger Polylactide in Zusammenarbeit zweier Firmen

Rohstoff für die Europlex Folie LJ 21123/123 stammt aus nicht gentechnisch verändertem Zuckerrohr.

Die Europlex Folie LJ 21123/123 besteht aus nachwachsenden Rohstoffen und lässt sich flexibel umformen.

Röhm entwickelt umformbare PLA-Folie

Textile Strukturen können in allen Phasen ihrer Herstellung mit formverändernden Eigenschaften ausgestattet werden. Es entstehen sogenannte 4D-Textilien. Herstellen lassen sie sich etwa durch das Bedrucken eines vorgespannten Textils mittels FDM-Druck.

Bild 1. 4D-Textilien lassen sich etwa mit FDM-Druckern herstellen.

Formverändernde Textilien, sogenannte 4D-Textilien, bieten beispielsweise für die Medizintechnik große Vorteile. Herstellen lassen sie sich mittels FDM-Druck.

Von statischen zu adaptiven Produkten mit 4D-Textilien

Mit 3D-Druck in die vierte Dimension

Drei Lösungen zur Steigerung der Produktivität in der Automobil-, Medizin- und Verpackungsindustrie präsentiert Tederic anhand der Spritzgießmaschinenbaureihe Neo series auf der K 2022.

Die Neo·E c kombiniert elektrische und hydraulische Antriebe.

Spritzgießen

kunststoffe-international.com

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzprägen

Spritzgießmaschinen

Medizintechnik

Medizinprodukte

Anwendungen in drei wichtigen Branchen

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

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Verarbeitung von PLA basierten, geblendeten Partikelschäumen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Verarbeitung von PLA basierten, geblendeten Partikelschäumen. Die Herstellung von Partikelschäumen mit geringen Dichten und gleichzeitig hoher Formteilgüte ist jedoch schwierig, sodass die Entwicklung von geschäumten Polymermischungen (Polymerblends) den gesamten Verarbeitungsprozess vereinfachen könnte. Bei Polymerblends werden die Eigenschaften der Polymere vorteilhaft kombiniert. Dies ist ein bislang kaum erforschtes Thema auf dem Gebiet der Partikelschäume.

Dabei wird auf zwei Aspekte eingegangen: 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.

Partikelschäume, Polymerschäume, Polymerblends, PLA, expandierbar, Formteilherstellung

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The dissertation is sold by TuTech Innovation GmbH

Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2017 bis 2020 während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt am Lehrstuhl für Poly- mere Werkstoffe an der Universität Bayreuth.

Mein herzlicher Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt für die Betreuung dieser Arbeit, für seine Unterstützung und für die Möglichkeit, das Themengebiet der Partikelschäume an seinem Lehrstuhl weiterentwickeln zu können. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Elsner für seine hilfreichen Anregungen und für die Übernahme des Korreferats.

Allen Mitarbeitern des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe, insbesondere Anne Lang, Sebas- tian Gröschel, Markus Schirmer, Jacqueline Uhm, Annika Pfaffenberger, Andreas Mainz und Alexander Brückner danke ich für die Unterstützung und die konstruktiven Anregungen im Rahmen der praktischen Arbeiten. Den Kollegen der Arbeitsgruppe Polymerschäume Tobias Standau, Nick Weingart, Christian Bethke, Christian Brütting und Justus Kuhnigk gilt mein besonderer Dank für zahlreiche Diskussionen. Milena Spörl, Theresa Adelhardt, Kerstin Mosig und Bärbel Heindl-Tenhunen, danke ich für die Unterstützung bei administrativen Fragen.

Herrn Dr. Roland Hingmann gilt mein besonderer Dank für zahlreiche Diskussionen rund um das Thema der Partikelschäume. Weiterhin danke ich Dr. Florian Rapp, Dr. Peter Baumann, Dr. Peter Gutmann und Dr. Tobias Pfefferkorn. Für die Möglichkeit, das AFM nutzen zu kön- nen und Ergebnisse zu diskutieren, danke ich Prof. Papastavrou und Markus Hund vom Lehr- stuhl Physikalische Chemie II. Die GPC Messungen wurden dankenswerterweise am Lehrstuhl Anorganische Chemie II (Prof. Kempe) durchgeführt. Ebenfalls danke ich Herrn Charles Han- sen und Steven Abbott für die Diskussionen über die Hansen Parameter.

Mein Dank gilt auch allen Studenten, die zu dieser Arbeit direkt oder indirekt beigetragen ha- ben. Dies sind namentlich Helge Weiger, Franziska Eger, Ying He, Laura Kloth und Oliver Gallus, sowie zahlreichen HiWi‘s.

Für die andauernde Motivation bedanke ich mich bei meinen Freunden und der Familie. Be- sonders sind hier Tobias Bubmann, Fabian Hübner, Nico Geis, Martin Demleitner, Sebastian Arenz und Annette Koch zu nennen.

Meinem Sohn Moritz danke ich für die regelmäßige morgendliche Erinnerung diese Arbeit fertig zu stellen. Meiner Frau Elke und meinen Eltern gebührt der größte Dank für ihre beson- dere Unterstützung, ihr Verständnis und für den Verzicht auf viel gemeinsame Zeit.

Aufgrund des breiten Eigenschaftsprofils polymerer Werkstoffe sind diese in zahlreichen An- wendungen zu finden. Unser Alltag ist heute kaum mehr ohne vorstellbar. Neben den Eigen- schaften 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 Form- gebungsmöglichkeit und geringen Dichten. Jedoch ist die Herstellung von Partikelschäumen mit geringen Dichten und gleichzeitig hoher Formteilgüte schwierig. Hier könnte die Entwick- lung von geschäumten Polymermischungen (Polymerblends) den gesamten Verarbeitungspro- zess 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 Partikelschäu- men 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 Bei- trag 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 Blendzusammen- setzungen hergestellt. Anschließend wurde von den expandierbaren Partikeln die Verarbeitbar- keit 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 Ver- schweißgüte (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 Verschweiß- güte jedoch gleichzeitig zu einer offenzelligen Schaummorphologie.

Due to the broad property profile of polymer materials, they can be found in numerous appli- cations. Today, our everyday life is hardly imaginable without them. In addition to the proper- ties, life cycle assessment and life cycle analysis also play an important role in the use of poly- mers 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 influ- encing variables on particle foams is established. This should contribute to a simpler develop- ment 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 parti- cles, 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 part- ner 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 mor- phology.

Polymerschäume werden heutzutage in unterschiedlichen Branchen in einer Vielzahl von An- wendungen eingesetzt. Neben den Hauptanwendungen in der Verpackungsindustrie, dem Bau- und Transportwesen (Automobil-, Eisenbahn- und Flugzeugindustrie) werden Polymer- schäume beispielsweise auch in der Möbelindustrie und der Sportbranche vermehrt eingesetzt (s. Abbildung 1.1) [1].

Abbildung 1.1: Globaler Polymerschaum Umsatz 2015 nach Volumen [1].

Diese Vielfalt haben Polymerschäume ihrem breiten Eigenschaftsprofil zu verdanken. Einer- seits bieten diese aufgrund ihrer geringen Dichte eine deutliche Gewichtsreduktion und weniger Materialverbrauch gegenüber Kompaktmaterialien. Andererseits weisen sie eine gute Wärme- isolation und eine hohe Energieabsorption aufgrund der zellulären Struktur auf [2,3]. Gleich- zeitig spielt bereits jetzt Ressourcenschonung und Energieeinsparung eine immer wichtigere Rolle und Polymerschäume können hierzu wichtige Beiträge leisten.

Aufgrund dieser Eigenschaften ist der Umsatz mit Polymerschäumen in den vergangenen Jah- ren deutlich gestiegen. In Abbildung 1.2 ist der weltweite Absatz von Polymerschäumen auf- geteilt nach Polymertyp dargestellt.

Abbildung 1.2: Weltweite Verkäufe von Polymerschäumen unterteilt nach Typen. Daten aus [1].

Die größte Menge stellen dabei reaktive polyurethanbasierte Schäume dar. Diese werden als Blockschaum beispielsweise für Matratzen oder in Autositzen verwendet [3]. Thermoplasti- sche Schäume auf Basis von Polystyrol (PS) und Polyolefinen kommen zusammengefasst auf einen vergleichbaren Wert. Dabei wird dieser Markt mit einem Anteil von 89 % von einem anderen Schaumtyp dominiert: Partikelschäume [1]. Partikelschäume sind eine besondere Form der Polymerschäume. Sie bestehen aus kleinen Kugeln, die in einem sinterähnlichen Pro- zess zu geschäumten Formteilen verarbeitet werden (s. Abbildung 1.3) [2]. Dieser zweistufige und komplett voneinander getrennte Herstellungsprozess bietet die Möglichkeit, leichte Pro- dukte mit komplexen Geometrien zu erhalten. Das steht im Gegensatz zu Schaumextrusion und Spritzguss, wo nur eine dieser Eigenschaften erreicht werden kann [3–5].

Partikelschäume werden wiederum in „expandierbar“ und „expandiert“ unterteilt. Expandier- bare Partikelschäume, wie beispielsweise expandierbares Polystyrol (EPS), werden während des Herstellungsprozesses mit Treibmittel beladen und speichern dieses über einen längeren Zeitraum. Erst direkt vor dem Formteilprozess werden die Partikel aufgeschäumt (s. Abbil- dung 1.3 a & b). Dahingegen liegen expandierte Partikelschäume, wie expandiertes Polypro- pylen (EPP), bereits direkt nach der Herstellung geschäumt vor (s. Abbildung 1.3 c).

Abbildung 1.3: Prozesskette von Partikelschäumen [4]. Das Ausgangsmaterial wird entweder

zu (expandierbarem) µ-Granulat verarbeitet und b) anschließend geschäumt oder c) direkt geschäumt. Die expandierten Partikel werden anschließend zu Formteilen verarbeitet d).

EPS, EPP und expandiertes Polyethylen (EPE) repräsentieren die bekanntesten und in der In- dustrie etablierten thermoplastischen Partikelschäume. Daneben gibt es weitere neuartige ex- pandierte Partikelschäume, beispielsweise auf Basis von Polyamid (EPA) [6], Polycarbo- nat (EPC) [7], Polybutylenterephthalat (EPBT) [8] oder thermoplastischen Polyuretha- nen (ETPU) [9]. Diese erfüllen gestiegene Anforderungen, wie etwa eine höhere Temperatur- beständigkeit oder eine hohe Energierückgabe.

In letzter Zeit wurden vor allem expandierte Partikelschäume entwickelt (s. Abbildung 1.3 c). Diese bereits geschäumten Partikel bestehen zum größten Teil aus Luft (~90 %) und nehmen ein ca. dreißigfach größeres Transportvolumen als expandierbare (gasbeladene) Partikel bei gleicher Masse ein. Die Entwicklung von neuartigen expandierbaren Partikelschäumen hätte daher einen zusätzlichen ökonomischen als auch ökologischen Vorteil gegenüber expandierten Partikelschäumen. Aufgrund von mangelndem Treibmittelhaltevermögen ist dieses aber nicht immer möglich.

Die Verarbeitung der Partikel, unabhängig deren Art, zu einem Formteil ist für die Endeigen- schaften von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Thema existieren jedoch nur wenige Pub- likationen, hauptsächlich von C. B. Park et al. [10,11]. Die meisten der bisherigen Studien be- schreiben nicht den Mechanismus selbst, der zum Formteil führt, sondern nur die Gesamtan- forderungen an die Partikel aus bestimmten Polymeren. Dies führt auch dazu, dass allgemein von einer Verschweißung gesprochen wird [12], obwohl der Prozess selbst nur an der Oberflä- che der Partikel stattfindet und daher genauer als Interdiffusions(verschweiß)prozess bezeich- net werden müsste. Studien über den Einfluss der beim Fügen wichtigen Oberflächeneigen- schaften, wie Topografie, Kristallinität oder auch Blendmorphologie der Partikel auf die spätere Formteilgüte fehlen in der Literatur.

Heutzutage bestehen Partikelschäume hauptsächlich aus einem Polymer, welches mittels Ad- ditiven modifiziert wird. Polymermischungen (engl. Polymerblends) sind derzeit kaum im Fo- kus der Partikelschaumforschung. Ausnahme hiervon sind Polymerblends basierend auf PS und Polyolefinen (Handelsname u. a. Piocelan®). Bei diesem dominiert der Anteil an amorphem PS. Im Vergleich dazu ist die Entwicklung von ungeschäumten Polymerblends immer weiter in den Fokus verschiedener Forschungs- und Entwicklungsarbeiten gerückt. Die Zahl an unter- schiedlichen Polymerblends ist stark gestiegen und ein breites Wissen konnte aufgebaut wer- den [13–17]. Grund dafür: es gibt kaum neuartige Monomere. [18].

Die Verwendung von Polymerblends bei Partikelschäumen könnte den Marktanteil im Schaumstoffsektor weiter steigern. Um hier gezielt vorgehen zu können, ist Grundlagenwissen über die unterschiedlichen Einflussgrößen bei der Herstellung und Verarbeitung von Partikel- schäumen auf Basis von Polymerblends erforderlich.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss eines teilkristallinen Blendpartners auf die Verar- beitbarkeit (Herstellung der Partikel und des Formteils) von expandierbaren Polylactid (PLA, engl. Polylactid Acid) Partikelschäumen untersucht. Dies wird am Beispiel von PLA/Polybuty- lensuccinat (PBS) bzw. PLA/Polyethylen mit geringer Dichte (LDPE, engl. Low-Density-Po- lyethylene) Polymerblends untersucht. Dieses Kapitel unterteilt sich in vier Abschnitte. Die ers- ten beiden Teile beschäftigen sich mit den Grundlagen zu Entwicklungen von Polymerblends und der Herstellung von Schäumen. In den letzten beiden Abschnitten wird genauer auf Parti- kelschäume eingegangen und verschiedene Theorien über die auf molekularer Ebene ablaufen- den Vorgänge während des Interdiffusionsverschweißens der Partikel vorgestellt.

Polymerblends bezeichnen Mischungen von mindestens zwei Thermoplasten. Diese sind seit mehreren Jahrzehnten ein wichtiges Thema in der Forschung und Entwicklung [14,17]. Bereits in den späten 1960er-Jahren hat die Zahl der Veröffentlichungen sowohl von akademischer als auch industrieller Seite (kommerzielle Blends und Patente) auf diesem Themengebiet stark zu- genommen [14,15]. Das Blenden von Polymeren ermöglicht dabei vor allem eine kostengüns- tige und schnelle Methode Materialien mit neuen oder angepassten Eigenschaften zu erzeugen. Die teure Synthese neuartiger Monomere (sofern überhaupt vorhanden) und deren Polymerisa- tion entfällt [18].

Polymerblends werden anhand der Mischbarkeit der verwendeten Polymere klassifiziert: mischbar (verträglicher Blend), nicht mischbar (unverträglicher Blend) und teilweise mischbar (teilverträglicher Blend) [14]. Über thermodynamische Änderungen der freien Energie (∆?⟋?⏆?⟋?⎦?) kann die Mischbarkeit der Polymere bestimmt werden. Ein Modell zur Beschreibung der freien Energie von Polymermischungen stellt die Flory-Huggins Theorie dar [19–22]. Die aufgestellte Gleichung wird als Flory-Huggins Gleichung bezeichnet:

∆?⟋?⏆?⟋?⎦? = kTV [ ⟋?⎷? ⟋?⎧?⟋?⎥? ⟋?⃯?1 + ⟋?⎷? ⟋?⎧?⟋?⎥? ⟋?⃯?2] + ⟋?⃯?1⟋?⃯?2⟋?⃮?12kTV / ⟋?⃰?⟋?⎡?

V entspricht dem Gesamtvolumen, V1 und V2 den Volumina der einzelnen Polymere, k der Boltzmann Konstante, ⟋?⃯?1 und ⟋?⃯?2 den Volumenanteilen der beiden Polymere und ⟋?⃰?⟋?⎡? beschreibt die interagierenden Segmentvolumen [15]. ⟋?⃮?12 beschreibt den Flory-Huggins Interaktionspa- rameter, welcher bei einem mischbaren Blend kleiner als 0 sein muss. Sowohl die Herleitung der Flory-Huggins Theorie als auch die erfolgreiche Verifizierung, wurden bereits ausführlich in der Literatur beschrieben [19–26].

Basierend auf der Flory-Huggins-Theorie sind verschiedene Berechnungsgleichungen für die Löslichkeitsparameter entstanden, die einerseits die Interaktion der Polymere mit Lösungsmit- teln oder Additiven und andererseits die Affinitäten von Polymeren zueinander betrachten. Hil- debrand und Scott [27] entwickelten die ersten Gleichungen zur Berechnung der Löslichkeits- parameter δi, welche auf der Verdampfungsenergie ⟋?⏈?⟋?⎝? pro Molvolumen Vi basiert:

Gleiche Löslichkeitsparameter von zwei Mischungen (Polymer/Polymer oder Polymer/Lö- sungsmittel) führen zur Mischbarkeit.

Ein Nachteil der Berechnungen der Löslichkeitsparameters nach Hildebrand und Scott ist, dass mögliche Wechselwirkungen (Wasserstoffbrückenbindungen oder polare Bindungen) nicht be- trachtet werden. Um dies auszugleichen, leitete Charles M. Hansen [28] drei Einzelparameter ab: unpolare Wechselwirkungen (⟋?⏈?⟋?⏉?), permanente Dipol/Dipol Wechselwirkungen (⟋?⏈?⟋?⎽?) und Wasserstoffbrückenbindungen (⟋?⏈?⟋?⏅?) zwischen den Molekülen [29]. Alle drei Energien tragen zur gesamten Kohäsionsenergie ⟋?⏈?⟋?⏅? bei. Dividiert durch das Molvolumen (s. Formel 3) werden die einzelnen Hansen Löslichkeitsparameter (HSP Werte) ⟋?℁?⟋?⏉?⟋?℁?⟋?⎽?, und ⟋?℁?⟋?⏅? mit der Einheit MPa1/2 beschrieben:

⟋?℁?2 = ⟋?℁?2 + ⟋?℁?2 + ⟋?℁?2

Die drei einzelnen HSP Werte von Lösungsmitteln und Polymeren werden dabei experimentell bestimmt und können heutzutage meistens der Literatur entnommen werden [29–32]. Zur Be- stimmung von unbekannten HSP Werten muss empirisch die Löslichkeit in verschiedenen Lö- sungsmitteln mit bekannten HSP Werten bestimmt werden. Das Lösungsmittel, das ein anderes Molekül lösen kann, wird als gutes Lösungsmittel bezeichnet. Das Lösungsmittel das kein an- deres Molekül löst als schlechtes. Mit den Ergebnissen dieser Messungen kann eine Kugel

berechnet werden, wobei das Zentrum dieser die HSP Werte des unbekannten Moleküls reprä- sentiert. Dies ist beispielhaft in Abbildung 2.1 dargestellt.

Abbildung 2.1: HSP Kugel mit guten Lösungsmitteln (blau) und schlechten Lösungsmit- teln (rot) für das getestete Molekül (schwarzes Viereck). In Anlehnung an [33].

Innerhalb der schwarzen Kugel mit dem Radius R0 befinden sich alle guten Lösungsmit- tel (blau), außerhalb sind schlechte Lösungsmittel (rot). Das Zentrum dieser Kugel (schwarzes Viereck) stellt die HSP Werte des getesteten Moleküls dar. Dieses kann ein beliebiges Molekül sein, z. B. ein Polymer oder ein Lösungsmittel. Der Abstand (Ra) zwischen zwei HSP Werten kann anhand von Formel 4 berechnet werden und beschreibt die Ähnlichkeit. Je kleiner der Ra Wert ist, desto höher die Kompatibilität. Die unterschiedlichen Zahlenindizes repräsentieren jeweils die Komponente des partiellen Löslichkeitsparameters zweier Materialien, z. B. steht

⟋?℁?⟋?⏉?1 für den Dispersionsparameter von Molekül 1, ⟋?℁?⟋?⏅?2für den Wasserstoffbindungsparameter von Molekül 2.

Dissertation_Dominik Doerr.pdf

2022-04-13 Dissertation Dominik Dörr

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