Ziel der Entwicklung
Die Technologien für Bahnenware sind mannigfaltig und beinhalten zahlreiche rezepturelle Schritte, die das Mischen von Matrixpolymeren mit Füllstoffen und Additiven beinhalten. So spielt das Blenden und Füllen von Thermoplasten und Polyvinylchlorid (PVC) Plastisolen eine zentrale Rolle und unterliegt einer strikten Kosten-Nutzen-Abwägung. Preisgünstige Füllstoffe dominieren den Markt. Etwa die Hälfte aller Produkte der Chemieindustrie und mindestens drei Viertel ihrer Rohstoffe liegen als Pulver oder Granulat vor. Das Handling von Haufwerken hat gerade in der Kunststoffbahnenindustrie große praktische Bedeutung. Füllstoffe werden vor ihrer Verarbeitung als Granulat oder Pulver gelagert, transportiert und umgeschlagen. In der Compoundierung gelten Nanofiller und -komposite als die wichtigsten Innovationen der letzten Jahrzehnte. Seit ihrem Aufkommen richtete sich das Augenmerk auch auf funktionelle Coatings. Besondere Sorgfalt ist geboten, wenn Hilfsmittel optische, mechanische, katalytische oder energetische Funktionen in und auf Warenbahnen, wie zum Beispiel Metallisieren, Opalisieren, Kratzfestigkeit, Antistatik, Schlagzähigkeit und Flammschutz realisieren sollen, ihr Einsatz aber unvermeidlich mit höheren Kosten verbunden ist. Ein hoher Dispersionsgrad sichert dauerhaft ein homogenes Eigenschaftsbild hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit, Oberflächengüte oder Flammschutz. Die Art und Weise der Einarbeitung von Füllstoffen und Additiven in polymere Pasten und Schmelzen bewirkt eine Vielzahl von Effekten, die die Qualität der Produkte maßgeblich bestimmen und den Verarbeiter vor eine permanent zu lösende Aufgabe stellen.Die Inhomogenität gefüllter Kunststoffcompounds ist die Ursache für eine schlechte Adhäsion der Komponenten. Wird der Werkstoff dynamisch belastet, drohen Phasenseparation, Mikrokavitäten und -risse. Oberhalb einer kritischen Belastungsgrenze führt eine verminderte Bruchdehnung und eine eingeschränkte Zähigkeit schnell zum Werkstoffversagen. Homogenität und eine gute Dispersion hingegen begünstigen die Adhäsion zwischen den Additiven und den Matrixpolymeren und wirken sich damit positiv auf eine Reihe unterschiedlicher Werkstoffparameter aus. Die Dispersion der Füllstoffe im Polymer ist auch bei der Produktion von Kunststoffbahnen von essentieller Bedeutung. Zur Lösung dieser Aufgabe existieren nach dem derzeitigen Stand der Technik verschiedene rezepturelle und maschinenbauliche Lösungen. Das Ziel des Vorhabens bestand in der Anwendung von alternativen Dispergierhilfen für Füllstoffe und Additive in Polymerschmelzen und PVC-Plastisolen einschließlich deren Einsatz in Streich- und Extrusionsprozessen zur Herstellung von Kunststoffbahnen unter Einsatz von Hilfsmitteln aus der Produktgruppe der Syntane. Der gewählte Lösungsansatz sollte die bekannten maschinenbaulichen Mittel wie Extrusionswerkzeuge, Schnellmischer oder Walzenstühle wirksam und kostengünstig ergänzen. Die Eckpunkte des Projekts bildeten die Qualität der Compounds, die Prozessgeschwindigkeit, die Energieeffizienz und der Emissionsschutz.
Vorteile und Lösungen
Anhand von Modellrezepturen wurden die Veränderungen an den Compounds mit zähigkeitsmodifizierenden und flammhemmenden Additiven sowie die Eignung als Verträglichkeitsvermittler beim Einsatz von Biopolymeren experimentell untersucht. Die aus den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Wirksamkeit der getesteten Dispergatoren stand mit dem Vorhandensein funktioneller Gruppen der behandelten Hilfsmittel in Beziehung. Zudem erwiesen sich die Dispergatormengen von etwa zwei Prozent bezogen auf die Gesamtrezeptur als eine sinnvolle Dosierung. Eine erfolgreiche Einarbeitung der Dispergatoren wurde bevorzugt als wässriger Ansatz erreicht. Weiterhin konnte eine systematische Wirkung der Dispergatoren auf die Rheologie von Polymerschmelzen nachgewiesen werden, wobei die Einflüsse der Dispergatoren auf die Festigkeit und das Deformationsverhalten von unpolaren Matrixpolymeren gering waren. Der Einsatz der Dispergatoren in Weich-PVC-Folien mit leitfähigen Füllstoffen führte zu starken antistatischen Eigenschaften. Im Gemisch mit konventionellen Weichmachern beeinflussten die Dispergatoren das Scherverhalten von Biopolymerschmelzen (PLA) im Sinne eines dilatanten Verhaltens, was bedeutet, dass ein zeitabhängiger Wiederanstieg der Viskosität bei fortlaufender Scherbeanspruchung beobachtet wurde. Außerdem beförderten die Dispergatoren die Verträglichkeit (Compatibilizer) zwischen synthetischen und Biopolymeren. Im Ergebnis systematischer Versuche wurde somit die Wirksamkeit und Prozesstauglichkeit ausgewählter Dispergatoren hinsichtlich dieses Ziels nachgewiesen. Ihre qualitativen Auswirkungen auf die Eigenschaften von Kunststoffcompounds beziehungsweise der daraus hergestellten Flächenwerkstoffe wurden experimentell bis in den halbtechnischen Maßstab dargestellt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Flexible Kunststoffbahnen bilden neben den faserverstärkten Kunststoffen eine wichtige Innovation unter den Konstruktionswerkstoffen. Sie bewirken die Einsparung von grauer Energie mit volkswirtschaftlichen Auswirkungen hinsichtlich der Energieeffizienz der Mobilität und dem Leichtbau. Der Transfer von wissenschaftlichen Ergebnissen zur Dispersion von Füllstoffen ist mit überschaubaren Investitionen und ohne fundamentale Umstellung in Rezeptur und Technik möglich. Die Zielmärkte und -gruppen des Transfers sind kleine und mittelständische Unternehmen in den Branchen der Hilfsmittelchemie, des Maschinen- und Anlagenbaus, der Bauwirtschaft, der Elektroindustrie, der Fahrzeugzulieferer und der Consumerprodukte. Ein Ausstrahlen der Forschungsergebnisse auf Elastomere, Papier, Klebstoffe, Dichtmassen, Lacke und Farben kann unterstellt werden.
