FlowTech - Fließverbesserung von hochgefüllten technischen Kunststoffen

Herausforderung: Verarbeitung hochgefüllter technischer Kunststoffe

Wie effizient wirken Fließverbesserer in hochgefüllten technischen Kunststoffen und was bedeutet dies für meine Anwendung? In vielen Anwendungen kommen hochgefüllte Thermoplaste zum Einsatz, beispielsweise auf Basis von Polyamiden (PA) oder Polybutylenterephthalat (PBT), um bestimmte Eigenschaften wie hohe mechanische Kennwerte, Flammschutzeigenschaften oder thermische bzw. elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Hohe Füllstoffgehalte beeinträchtigen die Fließfähigkeit der Materialien erheblich, was vor allem zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung führt.

Vorteile des Einsatzes von Fließverbesserern

Der Einsatz von Fließverbesserern in thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere in Polyamiden (PA) und Polybutylenterephthalat (PBT) mit hohen Füllstoffanteilen, bietet zahlreiche Vorteile zur Vermeidung von Verarbeitungsproblemen. Sie optimieren die Viskosität und ermöglichen eine bessere Fließfähigkeit. Das ist entscheidend, um komplexe Geometrien und dünnwandige Bauteile effizient zu produzieren bzw. um das Formnest überhaupt füllen zu können. Zusätzlich können Fließverbesserer zur Verbesserung der Oberflächenqualität beitragen. Durch den Einsatz von Fließverbesserern wird zudem das Risiko von Defekten wie Lufteinschlüssen minimiert. Dies verbessert die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte und erweitert das Einsatzspektrum der gefüllten Kunststoffe. Darüber hinaus führen Fließverbesserer zu geringeren Zykluszeiten und einem geringeren Energiebedarf. Dies trägt zu einer höheren Effizienz und Kostensenkung in der Produktion bei. Mit Blick auf klassische Extrusionsprozesse können Fließinstabilitäten reduziert werden.

Da herstellerübergreifende standardisierte Vergleiche von Fließverbesserern in gängigen Polymeren und hochgefüllten Kunststoff-Compounds derzeit nur bedingt existieren, ist eine unabhängige Bewertung hinsichtlich Cost/Performance bisher nicht zugänglich.

Das angestrebte Ziel des vorgeschlagenen industriellen Verbundprojekts besteht darin, den Einfluss kommerzieller Fließverbesserer und von Prozessbedingungen auf die Fließfähigkeit technischer Kunststoff-Compounds (z. B. PA6, PA66, PBT) sowie deren Auswirkung auf relevante Eigenschaften (wie z. B. Mechanik, Flammschutz, Wärmeleitfähigkeit etc.) grundlegend zu ermitteln und zu bewerten. Dabei wird ein besseres Verständnis hinsichtlich Leistung und Kosten kommerziell verfügbarer Fließverbesserer erarbeitet.. Mithilfe einer systematischen Auswertung und Gegenüberstellung der Ergebnisse wird ein Bewertungstool erstellt und bereitgestellt. Dieses Bewertungstool entspricht einer Matrix, in der unterschiedliche Polymere und Fließverbesserer ihrer Wirkung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien (Flammschutz etc.) gegenübergestellt werden.

Der Compoundeur wird somit zielgerichtet bei der Compoundentwicklung unterstützt, sodass eine Erweiterung der betrachteten Eigenschaften (z. B. Wärmeleitfähigkeit) bei gleichzeitig ausreichender Fließfähigkeit erreicht werden kann. Verarbeiter und Produktentwickler erhalten Einblicke in die Möglichkeiten und Grenzen von Fließverbesserern (z. B. hinsichtlich Energie und Zykluszeit, Herstellung dünnwandiger Bauteile) und können so ihre Prozesse auf wissenschaftlich-technischer Basis optimieren.

Schwerpunkte & Vorgehen

Recherche

Zunächst erfolgt eine umfassende Recherche der Literatur und des Marktes hinsichtlich:

• beschriebener oder bekannter Klassen Fließverbesserern in unterschiedlichen Polymeren (Schwerpunkt: PA, PBT), ihrer Verfügbarkeit und ihrer Wirkmechanismen (soweit beschrieben)
• des Einsatzes von Fließverbesserern für Spritzgießanwendungen: Es werden Fließkurven (z.B. für unterschiedliche Konzentrationen und Typen von Fließverbesserern), Wirkweisen in hochgefüllten Compounds, potenzielle Reduktionen von Zykluszeiten und Energieeinsparungen recherchiert und aufbereitet gegenübergestellt.

Schließlich werden auch die Auswirkungen auf andere Eigenschaften (wie Flammschutz, Mechanik, …) betrachtet und diese Informationen zur Vervollständigung der Recherche aufgenommen.

Versuchsprogramm ableiten

Auf Basis der Recherche und der Interessen der Teilnehmenden wird ein Versuchsprogramm abgeleitet. Dabei werden ausgewählte Kunststoffrezepturen durch Compoundierung variiert und hergestellt. Von allen Materialien werden Fließkurven und die Melt Flow Rate (MFR) erfasst. Neben der Aufnahme der Fließkurven dienen die Untersuchungen mit dem Doppelkapillar-Rheometer auch dazu, eventuell auftretende Fließinstabilitäten zu dokumentieren. Auf Basis der Ergebnisse der rheologischen Untersuchungen werden ausgewählte Kandidaten in einem nachgelagerten Spritzgussprozess in Prüfkörper überführt und hinsichtlich relevanter Eigenschaften charakterisiert (Fließspirale, Zug-Dehnungsverhalten, ggf. UL-94 und Wärmeleitfähigkeit). Auf Basis der Ergebnisse erfolgt eine Iteration der Compoundier- und Spritzgusskampagne, um relevante Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu identifizieren.

Insgesamt werden im Rahmen des Vorhabens ca. 50 Compounds und zugehörige Prüfkörper (Fließspirale, Zug-Dehnungsverhalten, ggf. UL-94 und Wärmeleitfähigkeit) hergestellt.

Die Ergebnisse werden so ausgewertet, dass daraus Handlungsempfehlungen für die Verarbeitungsbedingungen und die Auswahl von Additiven abgeleitet werden können. So können Spritzgießer (energie)effizienter arbeiten und Wandstärken in ihren Bauteilen reduzieren. Compoundeure erfahren mehr zur Entwicklung kundenspezifischer, leichtfließfähiger Kunststoffformulierungen und Additivhersteller können das Einsatzspektrum eigener Produkte erweitern.