Chemisches vs. physikalisches Schäumen

Der Schaummarkt:

Der Markt für Schaumspritzguss kann in Hochdruckschaumguss und Niederdruckschaumguss unterteilt werden. Im Allgemeinen wird Niederdruckschaumguss als der Markt für Strukturschaum angesehen. Dieser Markt wird durch Teile mit relativ dicken Wandabschnitten von 6 mm und mehr und Maschinen mit großen Platten und geringer Schließkraft definiert. In der Vergangenheit wurde in diesem Markt entweder Stickstoff als physikalisches Treibmittel oder exotherme chemische Treibmittel (CFAs) oder eine Kombination aus beiden verwendet, um die Zellstruktur zu erzeugen.

Das Hochdruck-Schaumformen hat ebenfalls eine lange Geschichte, ist aber in jüngster Zeit mit dem Aufkommen physikalischer Schaumtechnologien wie dem MuCell interessanter geworden.^® und einige der fortschrittlicheren endothermen chemischen Schaummittel wie TecoCell von Trexel^® Produktangebot. Dieser Markt verwendet eher traditionell konfigurierte Spritzgussmaschinen und verarbeitet Teile mit einer Wandstärke von 1 bis 4 mm. Angesichts der dünnen Wände und der großen Fließlängen-Dicken-Verhältnisse dieser Anwendungen liegt die typische Dichtereduzierung im Bereich von 5 bis 10 %.    

Die chemischen oder physikalischen Schaummittel auf dem Hochdruckschaummarkt:

Betriebskosten:

Hochdruck-Schaumverfahren können mit physikalischen oder chemischen Schaummitteln durchgeführt werden. Es gibt sowohl Kosten- als auch Leistungsvorteile, die die geeignete Wahl bestimmen. Die erste Überlegung sind die Kosten. Chemische Schaummittel erfordern eine geringe Kapitalinvestition (normalerweise ein Zuführsystem und eine Verschlussdüse), verursachen jedoch erhebliche Betriebskosten. Diese Schaummittel können im Bereich von kosten €4.65 €/kg (2.50 $/lb.) bis 9.30 €/kg (5.00 $/lb.) und werden typischerweise in einem Bereich von 1 % bis 3 % Gewichtsanteil verwendet, je nach Wandstärke und gewünschter Dichtereduzierung. Dies kann Zusatzkosten von nur 0.02 € (0.025 $) für ein 454 g (1 lb.) schweres Teil bis zu 0.085 € (0.10 $) bedeuten, je nach den Kosten des jeweiligen chemischen Treibmittels und dem Ablassverhältnis. Physikalische Schaumtechnologien sind tendenziell kapitalintensiv (sie erfordern ein SCF-Zufuhrsystem mit hohem Druck), haben aber sehr niedrige Betriebskosten. Für ein typisches 454 g (1 lb.) schweres Teil können die Kosten für den verbrauchten Stickstoff im Bereich von 0.002 € bis 0.006 € (0.0025 $ bis 0.007 $) pro Teil liegen. Daher ist eine wichtige Überlegung bei der Betrachtung der beiden Schaumtechnologien die Amortisierung der Kapitalkosten für die physikalische Schaumtechnologie im Vergleich zu den laufenden Betriebskosten des chemischen Schaummittels. Im Allgemeinen ist das physikalische Schaumverfahren bei hoher Maschinenauslastung kostengünstiger und das chemische Schaumverfahren bei niedriger Maschinenauslastung. Dies hängt jedoch stark vom Anteil der Materialkosten an den Produktionskosten ab.

Wesentliche Überlegungen:

Auch die Art des zu verarbeitenden Materials muss berücksichtigt werden. Dieser spezielle Bereich kann unter dem Gesichtspunkt der Prozesstemperatur, der Feuchtigkeitsempfindlichkeit und schließlich des Vorhandenseins oder Fehlens von Füllstoffen betrachtet werden.  

Chemische Treibmittel basieren auf einer chemischen Reaktion, bei der ein Gas erzeugt wird, das als Treibmittel wirkt. Wenn die Reaktion zu früh im Zylinder stattfindet, kann das erzeugte Gas durch das Feststoffbett und aus dem Einfüllstutzen entweichen, was zu einem Verlust eines Teils oder der gesamten Gaskomponente und daher zu wenig oder gar keiner Schaumbildung im Teil führt. Wenn die Prozesstemperaturen zu niedrig sind, findet die Reaktion möglicherweise überhaupt nicht statt oder läuft so langsam ab, dass nur eine teilweise Gaserzeugung stattfindet. Im Gegensatz dazu dosiert physikalisches Schäumen, wie etwa das MuCell-Verfahren, unabhängig von der Prozesstemperatur in jedem Zyklus eine genaue Menge Gas direkt in den Zylinder. Daher ist physikalisches Schäumen für alle Prozesstemperaturen geeignet. Obwohl es auf dem Markt eine große Auswahl an chemischen Treibmitteln gibt, haben die gängigsten Mittel Reaktionstemperaturen im Bereich von 160 bis 200 °C.

Eine zweite Überlegung im Zusammenhang mit dem Material ist die Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Die meisten Materiallieferanten empfehlen das Trocknen von Harzen. In einigen Fällen geht es einfach darum, Feuchtigkeitsflecken auf der Oberfläche des Materials zu beseitigen (typisch für Polyolefine und Styrolmaterialien).  In diesem Fall Die Leistung des Materials wird nicht negativ beeinflusst. Andere Materialien reagieren mit Wasser, was zu einer Verringerung des Molekulargewichts des Materials und einer entsprechenden Leistungsminderung führt.  In diesem FallDas Trocknen dient nicht nur kosmetischen Gründen, sondern soll die optimale Leistung des Materials erzielen.  In diesem Fallist es wichtig, ein chemisches Schaummittel zu wählen, das kein Wasser erzeugt. Bei der Verwendung physikalischer Schaummittel entfällt dieses Problem.

Die letzte Überlegung betrifft den allgemeinen Materialtyp (teilkristallin oder amorph) und die Verwendung von Füllstoffen. Materialien, die Füllstoffe enthalten, neigen dazu, sowohl mit chemischen als auch mit physikalischen Treibmitteln eine gute Zellstruktur zu erreichen. Dies liegt daran, dass die Füllstoffe als Keimbildner für die einzelnen Zellen wirken und durch schnelleres Abkühlen auch dazu beitragen, die Zellstruktur zu kontrollieren. Bei ungefüllten Materialien, insbesondere ungefüllten, teilkristallinen Materialien, besteht bei physikalischen Treibmitteln die Tendenz zu einer gewissen Ungleichmäßigkeit der Zellstruktur. Dies liegt daran, dass bei der Verwendung physikalischer Treibmittel mit ungefüllten Materialien die einzigen Faktoren zur Zellkeimbildung die Druckabfallrate und der SCF-Wert sind. Chemische Treibmittel neigen zur Selbstkeimbildung. Dies führt bei einigen ungefüllten Materialien und insbesondere bei HDPE und PP zu einer gleichmäßigeren Zellstruktur vom Anguss bis zum Ende der Füllung. Da CO2 außerdem langsamer aus der Lösung entweicht, neigen die endothermen CFAs dazu, nicht nur eine gleichmäßigere Zellstruktur, sondern auch eine dickere Hautschicht zu erzeugen.  

Der Vorteil der Selbstnukleation mit CFAs bei Verwendung gefüllter Materialien und ungefüllter amorpher Materialien ist im Vergleich zu physikalischen Treibmitteln viel weniger signifikant. Und insbesondere bei glasgefüllten Materialien gibt es keinen Unterschied in der Einheitlichkeit der Zellstruktur zwischen physikalischen und chemischen Treibmitteln.

Teilegeometrie:

Die Wandstärke und das Verhältnis von Fließlänge zu Dicke des Teils sind ebenfalls entscheidende Faktoren. Ein typisches chemisches Treibmittel kann CO2 in einer Menge von etwa 25 % der insgesamt zugesetzten Menge erzeugen. Das bedeutet, dass bei einem Polymer, das 2 % Treibmittelkonzentrat zugesetzt wird, 0.5 % CO2 nach Gewicht erzeugt werden. Dabei sind zwei Dinge zu berücksichtigen: Erstens ist CO2 ein viel weniger aggressives Treibmittel als N2, da CO2 langsamer aus der Lösung austritt als Stickstoff. Das bedeutet, dass mehr Zeit zum Wachsen der Zellen benötigt wird. Mit abnehmender Wandstärke verringert sich die Abkühlzeit des Materials, wodurch weniger Zeit für das Zellwachstum bleibt. Bei 1 mm tritt bei einem CFA aufgrund der Abkühlgeschwindigkeit des Materials in der Form fast keine Dichtereduzierung auf. Bei einem physikalischen Schäumungsprozess können höhere CO2- oder vorzugsweise Stickstoffwerte verwendet werden, um Schaumstrukturen bei einer Wandstärke von nur 0.35 mm zu erzeugen. Beide Szenarien führen zu einer stärkeren Dichtereduzierung im Vergleich zu einem typischen CFA.

Prozesskonsistenz:

Prozesskonsistenz kann als die Fähigkeit definiert werden, Teil für Teil die gleiche Zellstruktur zu erzeugen. Dies wird sowohl durch die Konsistenz der Formmaschine in Bezug auf Schussgröße, Einspritzgeschwindigkeitssteuerung und Schmelztemperatur als auch durch die Zugabe des Treibmittels gesteuert. Bei einem physikalischen Treibmittel bedeutet dies, Schuss für Schuss die gleiche Menge SCF hinzuzufügen und die Auflösung dieses SCF in der Polymerschmelze zu steuern. Bei einem chemischen Treibmittel bedeutet dies, das richtige Verhältnis an der Einfüllöffnung hinzuzufügen und die chemische Reaktion zu steuern, die das CO2 oder den Stickstoff erzeugt, das bzw. der die eigentliche Treibmittelkomponente ist.  

In beiden Fällen, chemisches und physikalisches Aufschäumen, muss der Dosiermechanismus für das Schaummittel präzise und wiederholbar sein. Mit einem richtig konzipierten System können sowohl chemische als auch physikalische Schaummittel präzise und wiederholbar dosiert werden.  

Bei einem chemischen Treibmittel ist die Konsistenz der Reaktion (Umwandlungsgrad und Position im Zylinder, an der die Reaktion beginnt und endet) für die Wiederholbarkeit des Prozesses wichtig. Wie oben erwähnt, kann sich mit der Änderung der Reaktionsposition die Menge des freigesetzten Gases und die Menge, die möglicherweise aus der Einfüllöffnung entweicht, ändern, was zu Abweichungen im Schaumformteil führen kann.

Es gibt auch Änderungen an der Formmaschine, die die Prozesskonsistenz verbessern können. Als Ausgangspunkt bietet die Verwendung einer Verschlussdüse und von Ventilschiebern an Heißkanälen ein viel größeres Prozessfenster und eine bessere Prozesskontrolle. Es gibt auch Änderungen am Schneckendesign, die die Handhabung des Treibmittels im Zylinder verbessern. Obwohl nicht alle Hersteller physikalischer oder chemischer Treibmittel Maschinenmodifikationen benötigen, ist sich Trexel bewusst, dass diese für einen wiederholbaren Schaumspritzgussprozess von entscheidender Bedeutung sind.

Restnebenprodukte:

Chemische Schaummittel führen prozessbedingt zu Nebenprodukten der Reaktionschemie. In einigen Fällen kann dies Wasser sein, das, wie oben erwähnt, bei bestimmten Polymeren Probleme verursachen kann. In anderen Fällen können diese Komponenten zu Formkorrosion und Ablagerungen auf der Formoberfläche führen. Die richtige CFA-Chemie muss gewählt werden, um den Anforderungen des Materials/der Formkonstruktion zu entsprechen.

Physikalische Treibmittel lösen keine Reaktion aus und erzeugen daher keine Reaktionsnebenprodukte. Physikalische Treibmittel können jedoch dazu führen, dass niedermolekulare Komponenten im Polymer beweglicher werden, was dazu führt, dass mehr Komponenten aus den Formöffnungen austreten. Dies ist einer der Gründe, warum empfohlen wird, die Formöffnungen bei der Verwendung physikalischer Treibmittel tiefer zu legen. Die Tendenz zu einer höheren Mobilität niedermolekularer Komponenten ist auch bei chemischen Treibmitteln zu beobachten, da dies mit der Natur überkritischer Fluide zusammenhängt.

In manchen Märkten/für manche Materialien sind die Nebenprodukte der chemischen Schaummittel möglicherweise nicht akzeptabel. Beispiele hierfür sind bestimmte medizinische Geräte, die mit Körperflüssigkeiten in Kontakt kommen, oder bestimmte Verpackungsanwendungen. Diese Materialien können auch aus manchen Recyclingströmen verbannt sein.

Regulatorische Fragen:

Es gibt zunehmend regulatorische Probleme mit chemischen Schaummitteln. Insbesondere Schaummittel auf Azodicarbonamid-Basis stehen in Europa auf Beobachtungslisten. Es ist wichtig, die lokalen regulatorischen Probleme in Bezug auf bestimmte chemische Schaummittelzusammensetzungen zu verstehen.

Vergleichstabelle:

Die folgende Tabelle bietet einen Vergleich chemischer Treibmittel und des MuCell-Verfahrens im Hinblick auf spezifische Materialtypen und Teiledesigns.

Angesichts dieser Materialeffekte sind die häufigsten Überschneidungen zwischen den beiden Technologien Teile, die aus Standardmaterialien (HDPE, PP, PS, ABS) mit oder ohne Füllstoffe hergestellt werden. Mit steigenden Prozesstemperaturen wird es immer schwieriger, geeignete chemische Treibmittel zu finden.

Zusammenfassung:

Im Allgemeinen sind chemische Treibmittel im Vergleich zu physikalischen Treibtechnologien in folgenden Punkten vorteilhaft:

• Relativ dickere Wandung (4 mm und dicker)
• Geringer Materialverbrauch bzw. geringe Maschinenauslastung
• Ungefüllte Massenharze.  
• Beseitigung von Einfallstellen mit geringem kosmetischen Effekt

Physikalische Schaumtechnologien schneiden im Vergleich zu chemischen Schaummitteln tendenziell besser ab, und zwar in folgenden Punkten:

• Wandstärke unter 2 mm, insbesondere unter 1.5 mm
• Prozesstemperaturen unter 175 C oder über 270 C
• Hoher Materialverbrauch/hohe Maschinenauslastung
• Maximale Gewichtsreduzierung durch Aufschäumen
• Gewichtsreduzierung durch Designoptimierung

Angesichts dieser Faktoren sind die häufigsten Überschneidungsbereiche zwischen den beiden Technologien Teile, die aus Standardmaterialien (HDPE, PP, PS, ABS) mit oder ohne Füllstoffe in einer Wandstärke von 2 bis 3 mm hergestellt werden. Mit steigenden Prozesstemperaturen und abnehmender Wandstärke verringern sich die Vorteile des chemischen Treibmittels im Vergleich zum physikalischen Schäumen, insbesondere wenn Stickstoff das physikalische Treibmittel ist.