Was ist ein geschäumter Kunststoff?
Geschäumte Kunststoffe sind geformte Kunstharze, die Luftblasen enthalten, und sind poröse Materialien mit zahlreichen unabhängigen und durchgehenden Poren, wie sie in der Struktur von Holzkohle und Bimsstein zu finden sind.
Die wichtigsten Kunstharzrohstoffe sind Polyurethan, Polystyrol und Polyolefin, und diese Schaumstoffe werden als die drei großen Schaumstoffe bezeichnet. Geschäumte Kunststoffe aus Polystyrol werden gemeinhin auch als geschäumtes Polystyrol bezeichnet.
In der Industrie gibt es mehrere Methoden zur Bildung von Luftblasen. Zum Beispiel die Gasmischmethode, bei der Gas direkt in das Kunstharzmaterial gemischt wird, oder die Methode, bei der ein Schaumbildner wie Natriumbicarbonat vorab in das Kunstharzmaterial gemischt und dann erhitzt wird, um das Schäumen zu fördern und Blasen zu bilden.
Anwendungen von geschäumten Kunststoffen
Geschäumte Kunststoffe haben hervorragende stoßdämpfende, wärmeisolierende und auftriebsfördernde Eigenschaften, so dass sie sich für die Verwendung als Wärmedämmung und in Produkten und Bauteilen eignen, bei denen Auftrieb erforderlich ist. Darüber hinaus haben geschäumte Kunststoffe mit einer kontinuierlichen Zellstruktur eine hohe Flexibilität und ein ausgezeichnetes Wasser- und Schallabsorptionsvermögen, so dass sie sich für schallabsorbierende Materialien sowie für Produkte und Bauteile eignen, die Wasser absorbieren müssen. Geschäumte Kunststoffe sind daher ein Werkstoff, der in allen Bereichen eingesetzt wird.
1. Transport- und Verpackungsmaterial für landwirtschaftliche und Fischereierzeugnisse
Geschäumte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hervorragenden Dämpfungs- und Wärmedämmeigenschaften und ihres geringen Gewichts als Transport- und Verpackungsmaterial für landwirtschaftliche und Fischereierzeugnisse verwendet. Polystyrolschaumplatten (PSP) werden zum Beispiel häufig als Verpackungsbehälter für den Verkauf von Frischwaren verwendet. Aufgrund ihrer hohen Wärmedämmungseigenschaften eignen sie sich auch als Behälter für Suppen-Feinkostprodukte in Lebensmittelgeschäften.
Polystyrol-Perlenschaum (EPS) kann aufgrund seiner hohen Wärmedämmungseigenschaften bei kalten Temperaturen transportiert werden. Er wird daher als Transportbehälter für Meeresfrüchte und landwirtschaftliche Produkte verwendet.
2. Automobilteile
Geschäumte Kunststoffe werden aufgrund ihrer stoßdämpfenden Eigenschaften zur Verbesserung der Sicherheit von Fahrzeugen eingesetzt. Sie tragen auch dazu bei, das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren.
Der am häufigsten verwendete geschäumte Kunststoff in Automobilkomponenten ist Polyurethanschaum. Der weiche Polyurethanschaum wird aufgrund seiner Weichheit und Elastizität in Autositzpolstern und Matratzen verwendet.
Polypropylenharz (PP) ist ein weiteres geeignetes Material für Kfz-Bauteile, da es die für Kfz-Bauteile erforderliche Schlagzähigkeit, Hitzebeständigkeit und chemische Beständigkeit in sich vereint und ein kostengünstiges Harz ist. Expandiertes Polypropylen (EPP) wird als Polstermaterial in Stoßfängern verwendet.
3. Wärmedämmstoffe für Baumaterialien
Geschäumte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hohen Wärmedämmwirkung als Baumaterialien eingesetzt. Die Isolierwirkung von geschäumten Kunststoffen wird durch den Einschluss von Luft in den Blasen erreicht.
Die wichtigsten Arten von geschäumten Kunststoffen, die als Baumaterialien verwendet werden, sind:
- Perlenförmiger Polystyrolschaum
- Extrudierter Polystyrolschaum
- Polyurethan-Hartschaum
- Phenolharzschaum
Perlenförmiger Polystyrolschaum kann je nach Werkzeug in verschiedene Formen gegossen werden. Polyurethan-Hartschaum und Phenolschaum zeichnen sich außerdem durch ihre hervorragende Flammfestigkeit aus.
Eigenschaften von geschäumten Kunststoffen
Vorteile
Geschäumte Kunststoffe können die Funktionalität von ungeschäumten Kunststoffformteilen (Feststoffen) durch Veränderung der Kunstharzart und der Schaumstruktur ergänzen oder verbessern.
- Geschäumte Kunststoffe sind bei gleichem Volumen leichter als Feststoffe
- Geschäumte Kunststoffe, bei denen die einzelnen Blasen unabhängig voneinander geformt sind (unabhängige Poren), haben eine hohe Steifigkeit und Elastizität, eine hervorragende Polsterung, Wärmeisolierung und Auftrieb sowie ausgezeichnete stoßdämpfende Eigenschaften.
- Geschäumte Kunststoffe, die mit miteinander verbundenen Blasen (durchgehende Poren) geformt werden, sind hochflexibel und verfügen über hervorragende Wasser- und Schallabsorptionseigenschaften.
Nachteile
Die Nachteile von geschäumten Kunststoffen sind folgende:
- Sie haben einen geringerer Harzanteil im Vergleich zu Feststoffen desselben Volumens, daher sind Festigkeit und Wärmebeständigkeit geringer als bei Feststoffen.
- Er kann aufgrund seines großen Volumens nicht in großen Mengen auf einmal transportiert werden.
- Der zur Herstellung von geschäumten Kunststoffen verwendete Kunststoff zersetzt sich nicht auf natürliche Weise und ist daher als treibender Müll eine der Ursachen für die Meeresverschmutzung.
Auswahl eines geschäumten Kunststoffs
Die Eigenschaften von geschäumten Kunststoffen variieren je nach Art des verwendeten Kunstharzes. Insbesondere die Hitzebeständigkeit hängt von den Eigenschaften des verwendeten Kunstharzes ab. Bei einer Verwendung unter 100 °C können Schaumstoffe aus Polyolefinen und anderen Allzweckharzen verwendet werden.
Bei hohen Temperaturen sollten Schaumstoffe aus technischen Kunststoffen mit hoher Hitzebeständigkeit, wie PET oder Nylon, gewählt werden. Unterschiede in der Schaumstruktur haben ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von geschäumten Kunststoffen.
Unabhängiger Schaumstoff ist in Bezug auf Festigkeit und Wärmedämmung überlegen. Dagegen ist kontinuierlicher Schaumstoff in Bezug auf Schall- und Wasserabsorption besser, so dass die Wahl je nach Verwendungszweck getroffen werden muss.
Verwendungen von geschäumten Kunststoffen
Geschäumte Kunststoffe, die bereits in die für den Verwendungszweck vorgesehene Form gebracht wurden, wie z. B. Styropor, können so verwendet werden, wie sie sind. Schaumstoffplatten in Plattenform können auch mit Hilfe einer Formmaschine zu Schalen oder anderen Formen geformt werden.
In den letzten Jahren hat sich die Forschung und Entwicklung auch auf Verbundwerkstoffe aus geschäumten Kunststoffen mit anderen Materialien wie CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) konzentriert, um deren Festigkeit zu erhöhen.
Weitere Informationen über geschäumte Kunststoffe
Schaumstoff-Formmethoden für geschäumte Kunststoffe
1. Schmelzschaum-Formverfahren
Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Treibmittel mit dem Harz in geschmolzenem Zustand vermischt und das Harz aufgeschäumt wird. Bei diesem Verfahren wird Schaumgas in das Harz injiziert, während es in einem Extruder geschmolzen wird.
Wenn das Harz aus dem Hochdruckextruder eingespritzt wird und der Druck niedrig wird, bilden sich Blasen und es entsteht Schaum. Da das Harz geschmolzen werden muss, handelt es sich bei dem Rohmaterial hauptsächlich um thermoplastische Harze.
Mit dem Schmelzschaumverfahren können platten- und brettförmige Formteile hergestellt werden. Es gibt geschäumte Polystyrolplatten (PSP), geschäumte Platten aus Polyolefinen wie Polypropylen und Polyethylen sowie geschäumte PET-Platten. Ein weiteres Verfahren ist das Injektionsschäumen, bei dem geschmolzenes Schaumstoffharz in eine Form gespritzt wird.
2. Festphasenschaumformverfahren
Bei der Festphasenschaumformung wird Schaum aus festem Harz hergestellt. Die Harzpartikel werden mit Schaumgas imprägniert und mit Dampf erhitzt, um vorgeschäumte Partikel zu erzeugen. Die vorgeschäumten Partikel werden dann in eine Form gefüllt und erneut erhitzt, um einen Formkörper herzustellen.
Dieses Herstellungsverfahren wird als Wulstverfahren bezeichnet und zeichnet sich dadurch aus, dass je nach Form des Werkzeugs ein geschäumter Formkörper in beliebiger Form hergestellt werden kann. Die im Wulstverfahren hergestellten Schaumstoffformkörper, wie EPS aus Polystyrol und EPP aus Polypropylen, werden für Fischkisten und Automobilteile verwendet.
3. Spritzgießverfahren für Schaumstoff
Beim Spritzschaumverfahren werden flüssige Rohstoffe in eine Form gespritzt und beim Aushärten aufgeschäumt. Geschäumter Kunststoff wird durch Mischen von Polyisocyanat und Polyol mit Katalysatoren, Schaumbildnern und Blasenregulatoren gewonnen, während Phenolschaum aus Phenolharz und Formaldehyd hergestellt wird.
Mit dem Gieß-Spritzschaumverfahren lassen sich sehr maßgenaue Schaumstoffformkörper herstellen, da die Flüssigkeit in eine Form gegossen wird. Darüber hinaus kann Polyurethan-Hartschaum, eine Art von Polyurethanschaum, vor Ort installiert werden, so dass gespritzte Typen auf Baustellen nützlich sind.