Der Additivhersteller Quarzwerke stellt auf der Fakuma Füllstoffe für Kunststoffe in der Elektromobilität, Windkraft und für Folien vor. Diese sollen dabei helfen, die hohen Anforderungen an die Materialien in diesen Branchen bewältigen zu können.

Batterien

Energiespeicherung

Elektromobilität

Mobilität

Füllstoffe, mineralisch

Kunststoff Werkstoffe

Füllstoffe für Kunststoffe

Füllstoffe, allgemein

Windkraft

Energieerzeugung

Erneuerbare Energie

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Folien

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Additive

Füllstoffe verbessern Batterien und Windkraftanlagen

Im ersten Quartal 2021 erfolgt der offizielle Start eines neuen HPF-Produktionswerks für Hochleistungsfüllstoffe in Dangjin, Südkorea. Die Investition unterstreicht den Wachstumskurs der Quarzwerke Division HPF The Mineral Engineers in Asien.

Hilfs-und Zusatzstoffe für die Kunststoff-Industrie

Kunststoff-Erzeugung

HPF nimmt Produktion in Südkorea auf

Additive bestehen oft aus Zusatzstoffmischungen heterogener Komponenten. Deren Anisometrie führt dabei zu Bauteileigenschaften, die sehr stark von der Ausrichtung der Zusatzstoffe abhängig sind.

Orientierungsverhalten von Zusatzstoffmischungen simulieren

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Additiv-Konzentrate

Prozesssimulation

Software

Simulation

Spritzgießsimulation

Additiv-Batches

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Elektrisch leitende Füllstoffe (Metalllegierungen, Ruß, Graphit)

Wenn die Faser mit dem Plättchen

Die Integration wärmeleitfähiger Kunststoffe in Baugruppen bietet Vorteile in puncto Designfreiheit und Funktionalität. Werden bereits in der Entwicklung die Weichen gestellt, kann die Anwendung das gesamte Potenzial dieser Werkstoffe nutzen.

Über den Einfluss wärmeleitfähiger Füllstoffe auf die Bindenahtfestigkeit

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Werkstoffprüfung, mechanisch

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Bruchmechanische Prüfung

Zug-und Druckfestigkeitsprüfgeräte

Eine Frage der Orientierung

WACKER ist ein global operierender Chemiekonzern mit rund 13.800 Beschäftigten und einem Jahresumsatz von rund 4,92 Mrd. € (2017). Global vernetzt über fünf Geschäftsbereiche betreiben wir derzeit weltweit 23 Produktionsstandorte. Mit Tochtergesellschaften und Vertriebsbüros in 28 Ländern ist WACKER in Amerika, Asien, Australien und Europa vertreten.

Abdeckmassen (Elektronik)

Beschichtungsmassen

Biokunststoffe

Dichtungen

Drucklufttechnik

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Mechanische Konstruktionselemente

Maschinenelemente

Klebstoffe

Chemisches Fügeverfahren

Verbindungstechnik Verfahren

Klebstoffentferner

Kühlelemente, passive

Kühlkörper

Elektromechanik

Lackieren

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Oberflächentechnik

Medizintechnik

Polyacetale

Thermoplaste

Polyvinylacetat

Polyvinylalkohol

Reinigen und Vorbehandeln

Silikone

Teilereinigung

Tenside-Industrie

Verarbeitungshilfmittel

Waschen und Entfetten

Kunststoff-Aufbereitung

Weichmacher

Wacker Chemie AG

Das israelische Unternehmen Tosaf stellt Funktions-, Farb- und Kombi-Masterbatches vor, die für die Verarbeitung in der Extrusion und dem Spritzgießen geeignet sind. Dazu gehören Farbmasterbatches für Rezyklate mit besonderem Schwerpunkt auf Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) sowie biologisch abbaubare Masterbatches.

Masterbatches

Farbstoffe und Pigmente

Messe Fakuma

kunststoffe.de

Farbkonzentrate (Batches)

Farbstoffe

Kunststoff-Rezyklat

Masterbatches für aktuelle Trends

Nach dem Feuerwerk an Polymerrezepturen im letzten Jahr lohnt sich zur Fakuma ein Blick auf Details wie Funktionsadditive oder anwendungsspezifische Modifikationen. Insgesamt beflügelt immer noch der Leichtbau, aber auch definierte Oberflächenqualitäten sind gefragt. Die angekündigten Neuheiten folgen nicht nur aktuellen Konsumtrends, sondern bieten auch Anregungen für fortschrittliche Produkt- und Verfahrensentwicklungen. 

Funktionale Modifizierungen prägen Additive und Compounds 

Hochleistungskunststoffe

Polyamide

Polypropylen

Compound

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Pigmente

Additive Fertigung

Compoundeure

Distribuenten

Mit Polymeren ist überall zu rechnen 

Die Velox GmbH , Hamburg, bietet seinen europäischen Kunden ein Calciumcarbonat (CaCO 3 ) für den Einsatz im Bereich Kleb- und Dichtstoffe, Wand- und Fassadenfarben sowie Kunststoffcompounds an. Der kroatische Partner des Unternehmens, White Rock Minerals, baut das Calciumcarbonat ab und verarbeitet es in den eigenen Werken weiter. Er zählt zu den wichtigsten Mineralrohstoff-Exporteuren im Land und verfügt über rund 350 Mio. t des weißen Kalksteins. Die angebotenen Calcit-Füllstoffe weisen eine chemische Reinheit von über 98 % auf und erreichen mit einem Ry-Wert von > 95,5 einen sehr hohen Weißheitsgrad.

350 Millionen Tonnen in der Reserve 

Vertrieb von Calcit-Füllstoffen 

Fluor-Homopolymere weisen zwar bereits Hochleistungseigenschaften auf, lassen sich aber nur schwer gezielt modifizieren. Grund dafür ist die äußerst stabile chemische Bindung des Polymers, die die Anbindung zu Additiven erschwert. Ein neuartiger Füllstoff stärkt nun den Verbund zwischen Partikeln und Kunststoff.  

Neue Füllstoffanbindung verbessert die Eigenschaften von PTFE-Compounds 

Fluorkunststoffe

Verstärkungsstoffe

Kohlenstofffasern / -matten

Starker Zusammenhalt 

Die mineralischen Füllstoffe von HPF The Mineral Engineers basieren auf natürlich vorkommenden und synthetischen Mineralen, wie Quarz, Wollastonit, Kaolin oder Glimmer basieren und modifizieren Polymersysteme hinsichtlich verschiedener Eigenschaften. Ein Beispiel dafür sind Rotorblätter für Windkraftanlagen, die im Offshore-Bereich 20 Jahre Betriebsdauer ohne Beeinträchtigung überstehen sollen. Auf die Blattspitzen wirken Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 km/h ein. Zusätzlich beanspruchen extreme Einflüsse wie Salzwasser und Regen die riesigen Flügel. 

Beschichtung macht Rotorblätter widerstandsfähiger 

Funktionale Füllstoffe erweitern Polymereigenschaften 

Your Specialist forPerformance Polymers! Getreu dieses Claims bietet die TER Plastics POLYMER GROUP ein Vollsortiment an technischen Kunststoffen und Commodities.

Dienstleistungen

Handel

Kunststoffhandel

Compoundieren

TER Plastics stellt auf der Fakuma 2018 neue Materialien vor

Um den hohen Flammschutzanforderungen im Elektronik- und Transportbereich gerecht zu werden, müssen Duromeren häufig Flammschutzmittel zugesetzt werden. Zwei von Clariant entwickelte Flammschutzmittel erfüllen die notwendigen Voraussetzungen.

Faserverbundbauteile aus Epoxidharzen durchgehend halogenfrei flammschützen

Flammschutzmittel

Duroplastische Werkstoffe

Duroplaste

Filtereffekte bei Flammschutzmitteln vermeiden

Seit vier Jahren ist hanffaserverstärktes Polypropylen im Einsatz für Türbrüstungen und Türinserts von Faurecia. Es lässt sich im Standard-Spritzgießverfahren ohne Zusatzkosten verarbeiten und spart rund ein Viertel Gewicht ein. Für noch leichtere Bauteile mit besserer Oberflächenqualität wurde nun NafiLite entwickelt. 

Systemlieferant Faurecia entwickelt naturfaserverstärkte Compounds weiter 

Fasern

Nachhaltigkeit

Das Auto vom Acker 

Eine Reihe von , die ganz oder teilweise bestehen oder biologisch abbaubar sind hat sich inzwischen am Markt etabliert. Sie sollen ebenso wie konventionelle Kunststoffe leicht einfärb- und modifizierbar sein. Die Granula Gruppe , Rudolstadt (D)/Merenschwand (CH), stellt dafür Farbmasterbatches vor. Sie sollten das optische Erscheinungsbild des Endprodukts verbessern ohne die teils kritischen Rohstoffeigenschaften weiter zu vermindern.

Masterbatches für Farb- und Spezialeffekte in Biokunststoffen 

Wie das Polymer, so sein Additiv 

Eine Kombination aus pflanzlichen und anorganischen Naturfasern ermöglicht einen Verbund mit sehr gutem Eigenschaftsprofil, ohne dabei den Anteil an nachwachsenden Rohstoffen zu verringern. Damit können pflanzliche Naturfasern wie Kenaf zusammen mit Basaltfasern als günstiger und natürlicher Leichtbauwerkstoff gegen Glasfaserverstärkungen antreten. 

Basalt als Ergänzung zu Naturfasern in PP- und Duroplast-Verbundwerkstoffen 

Natürliches Tuning 

Biokunststoffe mit Kaffeesatz als biobasiertem Füllstoff

Kaffeesatz ist deutlich mehr als ein Abfallprodukt. Nach Entölung und Trocknung lässt er sich als Füll- und Farbstoff in Kunststoffcompounds einarbeiten. Er wirkt sich zudem auf das Kristallisationsverhalten aus und beeinflusst die weiterführende Kunststoffverarbeitung. Beim Spritzgießen können dadurch Kühl- und Zykluszeiten verringert werden, ohne dass die Materialeigenschaften signifikant darunter leiden.

Biokunststoffe werden überwiegend als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen eingesetzt. Häufig stammen die zugesetzten Additive allerdings aus fossilen Quellen, was dem Nachhaltigkeitsanspruch widerspricht. Deshalb wird intensiv an biobasierten Zusatzstoffen geforscht. Eine Möglichkeit stellt beispielsweise Kaffeesatz dar, der sich sowohl als Füll- als auch als Farbstoff für Biokunststoffe verwenden lässt. Das Material erfüllt dabei den Nachhaltigkeitsanspruch gleich doppelt: Es ist biobasiert und als Abfallprodukt entspricht es auch noch dem Kreislaufgedanken.

Wie sich das Material als Füllstoff verwenden lässt, wurde am IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover untersucht. Bei dem verwendeten Biopolymer handelte es sich um ein Stereokomplex-Polylactid (PLA; Typ: IfBB-Blend HD130x) der Hochschule Hannover basierend auf PLLA (Poly-L-Lactid) und PDLA (Poly-D-Lactid) sowie Talk als mineralischem Füllstoff. Dieses Material wird bereits im Office-Bereich eingesetzt und wurde für die Untersuchungen weiter mit Kaffeesatz modifiziert. Durch die Additivierung von PLLA mit PDLA als Nukleierungsmittel und die Kombination mit einer erhöhten Werkzeugtemperatur von 100 °C entstehen im Spritzgießprozess sogenannte Stereokomplexe (scPLA), die wiederum das Kristallisationsvermögen des Materials bestimmen und die Materialeigenschaften, insbesondere die Wärmeformbeständigkeit, begünstigen. [1]

Um den Einfluss des Kaffeesatzes zu analysieren, wurde dieser zunächst in einem ersten Schritt in verschiedenen Konzentrationen von 5 – 15 Gew.-% zudosiert. Außerdem wurde ein Compound mit jeweils 5 Gew.-% Kaffeesatz und Talkum hergestellt. Dieses diente zur Überprüfung, ob der mineralische Füllstoff weiterhin als Nukleierungsmittel notwendig ist. Der dabei verwendete Kaffeesatz (Partikelgröße: d50 -Wert = 362 µm) stammt von der Firma abc advanced biomass concepts aus Köln.

Die Herstellung der Kaffeesatz-Compounds erfolgte auf einem Extruder ZE 34 Basic des Unternehmens KraussMaffei Extrusion. Die biopolymere Matrix wird am Anfang des Extruders in der Aufschmelzzone zugeführt. Die Dosierung des Kaffeesatzes (5,4 Gew.-% Feuchtigkeit) erfolgt über eine Seitenfüttereinrichtung, auch Side Feeder genannt. Angepasste Schneckenkonfigurationen ermöglichen eine schonende Einarbeitung, ohne dass das PLLA und der Reststoff dadurch geschädigt werden. Durch einen speziellen Extruderaufbau mit Entgasungszonen kann Feuchtigkeit aus dem Prozess entfernt werden, wodurch eine Vortrocknung entfällt.

Für die Herstellung der Vielzweckprüfkörper (Typ 1A) wurde eine Spritzgießmaschine KM 50-180 AX des Herstellers KraussMaffei mit einer Werkzeugtemperatur von 100 °C verwendet. Um einen Materialabbau durch Hydrolyse vorzubeugen, wurden die Granulate vor der Verarbeitung getrocknet (Feuchtegehalt &lt; 500 ppm) [2]. Temperaturzonen, Nachdruck sowie Einspritzzeit und -druck wurden spezifisch angepasst, um ein optimal gefülltes Bauteil herzustellen. Im Anschluss an die Verarbeitung wurden die mechanischen, thermischen und rheologischen Materialeigenschaften in Anlehnung an die entsprechenden Normen ermittelt. Dass sich die hergestellten Kaffeesatz-Compounds beispielsweise für Computerzubehör sowie den Gastronomie- und Office-Bereich verwenden lassen, zeigen exemplarisch zwei daraus am IfBB hergestellte Produkte: ein Flaschenöffner und das Gehäuse einer Computermaus (Titelbild).

Die Extrusion der Kaffeesatz-Compounds erfolgte ohne Prozessprobleme mit einem Durchsatz von 50 kg/h. Beim Spritzgießen zeigte sich, dass sich die Zykluszeiten mit zunehmendem Kaffeesatzgehalt (5 – 15 Gew.-%) um bis zu 28 s verlängern (Tabelle 1). Die Kühlzeit musste verlängert werden, um Abdrücke der Auswerfer, aufgrund einer geringen Formstabilität, zu vermeiden. Durch den Zusatz des mineralischen Füllstoffs wird das Kristallisationsvermögen der Compounds positiv beeinflusst. Die Zykluszeit kann dadurch verglichen mit der Referenz um weitere 9 s reduziert werden.

Mit steigendem Kaffeesatzgehalt kommt es zu einer Reduktion der Zugfestigkeit, des Zug-E-Moduls und der Schlagzähigkeit. Wie auch bei der Additivierung mit Naturfasern oder Holzmehl sinken die Zugfestigkeit und die Schlagzähigkeit in Abhängigkeit der Dosierungsmenge [2]. Im Vergleich zur Referenz, einem scPLA mit 10 Gew.-% Talk, hat der Kaffeesatz bis zu einem Füllstoffgehalt von 15 Gew.-% keine verstärkende Wirkung. Ein signifikanter Unterschied der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Dosierungsmenge ist somit nicht gegeben. Die Wärmeformbeständigkeit liegt bei allen Materialien über 100 °C.

Durch den Einsatz von Talk in das Kaffeesatz-Compound erhöht sich der Zug-E-Modul im Vergleich zum Compound mit 5 Gew.-% Kaffeesatz. Das Material wird dadurch steifer, aber nicht spröder. Die Additivierung mit Talk hat keinen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit. [3]

Um das Kristallisationsverhalten genauer zu analysieren, besonders im Hinblick auf die unzureichende Entformung während dem Spritzgießen aufgrund der geringen Formstabilität einiger Compounds, wurden Differentialthermoanalysen (DSC-Untersuchungen) durchgeführt. Die DSC-Abkühlkurven zeigen, dass es mit zunehmendem Kaffeesatzanteil zu einer Verbreiterung und Verschiebung des Kristallisationspeaks (Tc) hin zu geringeren Temperaturen kommt (Bild 1). Das Ende der Kristallisation der Proben mit 10 bzw. 15 Gew.-% Kaffeesatz lag unterhalb der eingestellten Werkzeugtemperatur von 100 °C. Das lässt darauf schließen, dass die Kristallisation während des Spritzgießprozesses nicht abgeschlossen war. Da sich der Kristallisationspeak bei höheren Kühlraten zu geringeren Temperaturen hin verschiebt, kommt es zu den langen Zykluszeiten. [4]

Um das Kristallisationsverhalten genauer beurteilen zu können, wurden mittels Heiztischmikroskop Bildaufnahmen unter polarisiertem Licht erstellt. Die Probe wurde dabei über den Schmelzpunkt (175 °C für PLLA; 245 °C für scPLA) erhitzt und definiert abgekühlt (10 K/min). Mikroskopisch wurden der Beginn und die Ausbildung der Kristalle während der Abkühlung erfasst und ausgewertet.

Beispielhaft ist das Kristallisationsverhalten der mit Kaffee und Talk additivierten Probe (scPLA + 5 Gew.-% Talk + 5 Gew.-% Kaffeesatz) in Bild 2 dargestellt. Der Polymeranteil ist bei 245 °C vollständig aufgeschmolzen. Die pinken Bereiche zeigen den flüssigen, kristallfreien Zustand des Compounds. Die homogen verteilten Kaffeepartikel sowie die leuchtenden kristallinen Strukturen des Talks sind zu erkennen. Während der Abkühlung entstehen unter 130 °C erste Kristalle im Randbereich der Probe. Kleine Sphärolithe bilden sich mit abnehmender Temperatur, ähnlich wie bei Spitzgussbauteilen, von außen nach innen und an den Kaffeepartikeln aus. Die Kristallisation ist bereits zwischen 109 und 110 °C vollständig abgeschlossen und liegt somit 9 °C über der eingestellten Werkzeugtemperatur. Dieses Ergebnis deckt sich mit der DSC-Abkühlkurve (Bild 1). Die Additivierung mit Talk führt zu einer Erhöhung der Kristallisationstemperatur und somit zu einer Nukleierung und einer Verkürzung des Kristallisationszeitraums des Kaffeesatz-Compounds.

Aufgrund der Ergebnisse wurden die Compounds mit 10 und 15 Gew.-% Kaffeesatz erneut mit einer geringeren Werkzeugtemperatur von 90 °C verarbeitet und analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Anpassung der Werkzeugtemperatur die Zykluszeit um 7 – 12 % reduziert werden kann (Tabelle 2). Die erhöhte Kristallbildung, bedingt durch eine geringere Werkzeugtemperatur, führt zu einer ausreichenden Formstabilität und somit zu einer besseren Entformung. Diese Vermutung wurde durch weitere DSC-Messungen am Bauteil bestätigt. Einhergehend mit zunehmendem Kristallisationsgrad verringert sich die Zugfestigkeit um ca. 13 %, der Zug-E-Modul um etwa 3 % und auch die Schlagzähigkeit.

Eine industrielle Verarbeitung der Kaffeesatz-Compounds ist ohne Prozessprobleme realisierbar. Durch Adaptionen und Anpassungen der Peripherien können Zeit und somit Kosten eingespart werden. Die Materialeigenschaften verändern sich durch die Additivierung mit Kaffeesatz, ähnlich wie bei der Verwendung von Naturfasern oder Holzmehl. Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und ebenfalls die Fließfähigkeit nehmen mit steigendem Kaffeesatzanteil ab. Besonders die Kombination von Kaffeesatz und dem mineralischen Füllstoff Talk sind vielversprechend. Sowohl die Materialeigenschaften als auch Verarbeitungsparameter wie etwa die Kühl- und Zykluszeit verbessern sich durch eine Verkürzung des Kristallisationszeitraums.

[1] Siebert-Raths, A. Modifizierung von Polylactid (PLA) für technische Anwendungen: verfahrenstechnische Optimierung der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften. Rostock: s.n., 2012. Dissertation.

[2] Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe. Identifizierung und praktische Umsetzung von Synergien im Bereich der Biopolymere, Biopolymerfasern und Verbundwerkstoffe inklusive Optimierung zugehöriger Prozesstechnik und Verarbeitung zur anwendungsorientierten Weiterentwicklung. Hannover: Hochschule Hannover, IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, 2018. S. 45–48, 61, 65–69, 78, Schlussbericht. Förderkennzeichen: 22024711, 11NR247.

[3] Jahn, D. und Siebert-Raths, A. IBÖM02: KaVe – Entwicklung eines hochwertigen Bioverbundwerkstoffs auf Basis von Kaffeesatz. Kunststoffverarbeitung, Hochschule Hannover, IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe. Hannover: s.n., 2020. Schlussbericht.

[4] Ehrenstein, Gottfried W. Thermische Analyse – Brandprüfung, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, DSC, DMA, TMA. München: Carl Hanser Verlag, 2020. S. 88 - 89. 978–3–446–46258–8.

Ausgabenartikel KU10-21

Die mit Kaffeesatz gefüllten Compounds lassen sich etwa für Computerzubehör wie das Gehäuse dieser Maus verwenden

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Tabelle 1. Materialeigenschaften der Kaffeesatz-Compounds (Werkzeugtemperatur beim Spritzgießen 100 °C)

Tabelle 2. Die mechanischen Eigenschaften der im Spritzgießen hergestellten Bauteile unterscheiden sich bei verschiedenen Werkzeugtemperaturen

Bild 1. Bei zunehmendem Anteil des Kaffeesatzes kommt es zu einer Verbreiterung und Verschiebung des Kristallisationspeaks hin zu geringeren Temperaturen

Bild 2. Heiztischmikroskopaufnahmen für eine Probe aus scPLA mit jeweils 5 Gew.-% Talk und Kaffeesatz: Links ist der aufgeschmolzene Zustand der Probe bei 245 °C zu sehen. Die mittlere Aufnahme zeigt die Kristallbildung im Randbereich bei 126 °C. Bei 110 °C ist die Kristallisation abgeschlossen (rechts)

KU 10-21_IfBB_Kroll - Hauptartikel

B. Eng. Daniela Jahn ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover und arbeitet dort in der Materialentwicklung und thermischen Analyse; <a href="mailto:daniela.jahn@hs-hannover.de">daniela.jahn@hs-hannover.de</a>

Dr. Stephen Kroll ist Oberingenieur am IfBB und leitet das Team Nachhaltigkeit; <a href="mailto:stephen.kroll@hs-hannover.de">stephen.kroll@hs-hannover.de</a>

Prof. Andrea Siebert-Raths ist Professorin für Produkte und Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe und Leiterin des IfBB; <a href="mailto:andrea.siebert-raths@hs-hannover.de">andrea.siebert-raths@hs-hannover.de</a>

Das Projekt „KaVe – Entwicklung eines hochwertigen Bioverbundwerkstoffs auf Basis von Kaffeesatz“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 031B0383C). Die Autoren bedanken sich für die Förderung und die Unterstützung durch die Projektpartner abc – advanced biomass concepts GmbH und Maschinenfabrik Reinartz GmbH & Co. KG.