Über den Wirkmechanismus von Polyethylenglykol als Additiv zur Gefügeverdichtung im Rotationsformverfahren
Rohnstock, Falk
Schriftenreihe Kunststoff-Forschung
Eines der Hauptprobleme beim Rotationsformen sind verbleibende eingeschlossene Luftblasen, die die Sinterzeit verlängern und die Festigkeit, aber auch die Ästhetik des Bauteils beeinträchtigen. Überraschenderweise konnten Kulikov und Kollegen (2009) zeigen, dass der Zusatz einer geringen Menge von Polyethylenglykol (PEG) den Sinterprozess erheblich beschleunigt und den Anteil verbleibender Luftblasen drastisch reduziert. In der vorliegenden Arbeit wird der Wirkmechanismus von PEG untersucht, der sich im Wesentlichen auf die geringere Gassättigung der Polymerschmelze bei PEG-Zusatz zurückführen lässt, sowie das Potenzial der dadurch möglichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaftswerte.
Rheologischen Untersuchungen zeigen, dass PEG die Viskosität von LLDPE nur bei niedrigen Temperaturen minimal absenkt. Jedoch ist die Viskositätsabnahme nicht ausreichend, um einen schnelleren Sinterfortschritt herbeizuführen. 2-Partikel-Sinterversuche, die sich mit dem Modell von Bellehumeur hervorragend beschreiben lassen, belegen jedoch einen gesteigerten Wärmetransport bei PEG-Zusatz.
Sinterexperimenten mit Haufwerken aus LLDPE-Partikeln und PEG-Zusatz zeigen, dass die Wirkung des PEGs umgehend nach dem Aufschmelzen des LLDPEs eintritt. Das PEG schmilzt bei niedrigeren Temperaturen auf als das LLDPE und benetzt beim Aufschmelzen die LLDPE-Partikel. Dadurch wird Luft aus den Pulverzwischenräumen herausgedrückt und der Luftanteil, der von der Schmelze beim Aufschmelzen in Form von Blasen eingeschlossen wird, ist geringer. Bei einer weiteren Zunahme der Temperatur erhöht sich die Gaslöslichkeit bzw. die Sättigungskonzentration der Polymerschmelze. Als Folge des niedrigeren Luftanteils ist die Schmelze untersättigt und die Luft in den verbliebenen Blasen diffundiert schneller in die Schmelze. Die zeitliche Vermessung des Blasendurchmessers und dessen mathematische Beschreibung mit dem Modell von Gogos zeigen, dass der Sättigungsgrad der Polymerschmelze die treibende Kraft bei der Blasendiffusion ist und die Lebensdauer einer eingeschlossenen Luftblase im Rotationsformprozess maßgeblich bestimmt. Dies belegen auch Sinterversuche mit untersättigten LLDPE-Schmelzen, die bei partiellem Vakuum durchgeführt wurden: Sättigungsrade von 70 bis 80 % führen zu einem blasenfreien Gefüge.
Für eine Steigerung der Effektivität des Rotationsformprozesses gibt es danach zwei Möglichkeiten, nämlich PEG-Zusatz oder die Anwendung eines partiellen Vakuums während des Sintervorgangs. PEG-Zusatz zeigt bereits in sehr geringen Massenanteilen eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in rotationsformenden und sinternden Herstellungsverfahren. So kann beim Rotationsformen mit der Zugabe von 0,2 wt.% PEG die Kerbschlagzähigkeit um 33 %, der Zugmodul um 23 %, die Streckspannung um 5 % und die Bruchdehnung um 83 % gesteigert werden. Die Produktivität des Rotationsformverfahrens kann somit je nach Bauteil um ca. 20–30 % gesteigert bzw. 30–40 % der Heizenergie eingespart werden. Auch die Anwendung eines partiellen Vakuums von 700 mbar führt zu einer deutlichen Steigerung der mechanischen Eigenschaften. So konnten z. B. die Kerbschlagzähigkeit um 15 %, das Zugmodul um 7 %, die Streckspannung um 9 % und die Bruchdehnung um 71 % erhöht werden.
A major problem in rotomolding are bubbles of entrapped air, which not only reduce the mechanical strength and extend the processing time, but also affect the aesthetic appeal of the shapes produced. Surprisingly, Kulikov and colleagues (2009) demonstrated that a small amount of polyethylene glycol (PEG) added to the polymer accelerates the sintering and drastically reduces the number of air bubbles. The objective of the current work is to explain why PEG is so effective in the sintering process, and to explore the resulting improvements of the mechanical properties.
Rheological measurements show a slight reduction of the viscosity at low tempera-tures due to the addition of PEG. However, the viscosity decrease is not sufficient to enhance the sintering process. On the other hand, two-particles sintering experiments, which can be described excellently with the Bellehumeur model, show an increased heat transfer by adding PEG.
Sinter experiments using powder beds of LLDPE particles with PEG added demon-strate that the effect of the PEG occurs immediately after the melting of LLDPE. PEG melts at lower temperatures than LLDPE and wets the LLDPE particles. As a result, air is forced out of the powder bed and the fraction of entrapped gas, which is enclosed by the polymer melt, is smaller. The solubility of gases and correspondingly the saturation concentration of air in the polymer melt increases with increasing temperature. As a result of the lower gas fraction entrapped in bubbles, the gas concentration absorbed by the polymer melt is below saturation, and the air in the remaining bubbles diffuses faster into the melt. Measurements of the time dependence of bubble diameters in the melt were performed, and by use of the Gogos model it could be shown that the degree of gas saturation of the polymer melt is the driving force in the bubble diffusion process during the sintering process, and determines the life time of enclosed gas bubbles. This is also confirmed by sintering experiments with un-saturated LLDPE melts, which were carried out under partial vacuum and lead to shapes without any air bubbles.
According, there are two possibilities for increasing the efficiency of the rotomolding process, either by adding PEG or by the application of a partial vacuum during sintering. Even small concentrations of PEG show a significant improvement of the mechanical properties in the sintering process. The impact strength can be increased by 33 %, the tensile modulus by 23 %, the yield stress by 5 % and the elongation to fracture by 83 %. Depending on the shape produced, the productivity of the rotomolding process can be increased by up to 20–30 %, or up to 30–40 % of heating energy can be saved. The application of a partial vacuum of 700 mbar also leads to a significant increase in the mechanical properties. For example, the impact strength could be increased by 15%, the tensile modulus by 7 %, the yield stress by 9 % and the elongation to fracture by 71 %.
Published by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2961-4 EISSN 2197-814X
- Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2960-7 (ISSN 0174-4003)
