Physikalisches Schäumen mit Gasgegendruck – innovative Formschäume mit niedriger Dichte

Prof. Dr. Christian Hopmann und Dipl.-Ing. Simon Latz, IKV an der RWTH Aachen

Motivation
Aktuell werden hauptsächlich chemische und physikalische Treibverfahren zum Schäumen von Polyurethan (PUR) eingesetzt. Das chemische Schäumen mit Wasser, bei dem in der Reaktion mit Isocyanat Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht, wird vor allem für Weichschäume eingesetzt. Die Reaktion bildet allerdings zusätzlich Harnstoffe, die in der Schaumstruktur Hartsegmente verursachen. Als Konsequenz wird mit zunehmender Menge an Treibmittel und daraus resultierender niedriger Bauteildichte der Weichschaum unvermeidbar härter. Das verhindert beispielsweise eine weitergehende Dichtereduktion bei Sitzpolstern für Fahrzeuge (bislang ca. 45 kg/m³), da die geforderte Nachgiebigkeit dann durch die Hartsegmente nicht erreicht werden kann.

Des Weiteren ist der Einsatz von Wasser als Treibmittel für einige Hartschäume, wie zum Beispiel Polyisocyanurate (PIR), nur sehr bedingt geeignet, da es den Polymerbildungsprozess stört und der Schaum versprödet. Die gezielte Einstellung der Schaumeigenschaften ist somit nicht mehr möglich. Als Alternative können zwar niedrigsiedende Flüssigkeiten zum physikalischen Schäumen zum Einsatz kommen. Seit dem Verbot von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) wird nach wie vor nach einem vollwertigen Ersatz gesucht, bislang allerdings ohne zufriedenstellendes Ergebnis. So werden beispielsweise trotz ökologischer Bedenken Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) eingesetzt [1]. Häufig wird auch Pentan verwendet, das jedoch einen erhöhten Aufwand in der Anlagentechnik erfordert und außerdem Nachteile hinsichtlich seiner leichten Entflammbarkeit verursacht.

Schon seit mehreren Jahren wird daher versucht, das inerte Treibfluid CO2 direkt, ohne chemische Reaktion, als physikalisches Treibmittel einzusetzen [2]. Es ist kostengünstig erhältlich und im Vergleich zu den niedrigsiedenden Treibmitteln ökologisch unbedenklich. Im Prozess kann es unter Druck in den Ausgangskomponenten gelöst werden. Anschließend übersättigt das Reaktionsgemisch durch den Druckabfall im Mischkopf auf Umgebungsdruck und das Treibmittel steht wieder gasförmig zur Verfügung. Während es allerdings in der kontinuierlichen Blockschaumherstellung schon mit bis zu 6 Gew.-% unterstützend beim chemischen Schäumen eingesetzt wird, ermöglichen bisherige Technologien in der Formteilherstellung nur maximal 2 Gew.-% [2, 3]. Größere Mengen CO2 führen aufgrund des starken Druckabfalls am Mischkopf der Hochdruck-Dosieranlage zu einer sofortigen Übersättigung des Reaktionsgemischs, so dass das CO2 schlagartig gasförmig wird. Aufgrund der niedrigen Anfangsviskosität des Reaktionsgemischs kann das Treibgas nahezu ungehindert aus dem Gemisch entweichen, wodurch der Schaum kollabiert und eine inhomogene Struktur aufweist.

Zielsetzung

Besonders die Automobilindustrie strebt fortwährend Gewichtseinsparungen an. So werden beispielsweise zunehmend leichtere Fahrzeugsitze gefordert, wobei jedoch Komforteinbußen hinsichtlich der Härte nicht akzeptabel sind. Dies ist mit den vorhandenen Schäumtechnologien nicht erreichbar. Daher wurde am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen ein physikalisches Schäumverfahren entwickelt, in dem das Treibmittel CO2 auch in großen Mengen und für sehr hohe Dichtereduzierungen für die Herstellung geschäumter PUR-Formteile genutzt werden kann. Konnte die Formteildichte in vorangegangenen Projekten mit CO2 nicht unter 200 kg/m³ gesenkt werden, war es nun Ziel des Projekts, Dichten deutlich unter 100 kg/m³ und im Bereich der Dichte von Sitzschäumen zu erreichen. Ein entsprechender Prozess setzt die Kontrolle über das Aufschäumen voraus, um eine frühzeitige Übersättigung des Reaktionsgemischs zu verhindern. Daher wird der Aufschäumvorgang von der PUR-Reaktion getrennt. Zusätzlich muss der Zeitpunkt der Übersättigung definierbar sein, um zuvor einen ausreichenden Viskositätsanstieg durch die Polymer­bildungsreaktion abzuwarten. Ist die Viskosität ausreichend angestiegen, um die sich bildenden Schaumzellen fixieren zu können, soll dem Verarbeiter die Möglichkeit geboten werden, den Schäumvorgang aktiv zu starten und die Steiggeschwindigkeit des Schaums im Werkzeug zu regulieren.

Entwicklung des Gasgegendruck-Verfahrens
In der diskontinuierlichen Formteilherstellung wird überwiegend die Hochdruck-Technologie zum Dosieren eingesetzt. Zur Vermeidung eines schlagartigen Druckabfalls am Mischkopf, der zu einem unkontrollierten Aufschäumen führt, wird daher ähnlich der bekannten Technologie vom Thermoplast-Spritzgießen ein Gasgegendruck eingesetzt [4]. Zur Herstellung von Formteilen mit Materialeintrag in eine geschlossene Werkzeugkavität wird ein Gasinnendruck in der Kavität erzeugt, der oberhalb des Sättigungsdampfdrucks des CO2 im Reaktionsgemisch liegt. Anschließend kann eine Vorreaktionszeit abgewartet werden, in der die Viskosität des Reaktionsgemischs ansteigt, bevor durch eine gezielte Druckreduktion der Schäumprozess gestartet wird (Bild 1). Über den Betrag und die Geschwindigkeit der Druckreduktion kann das Aufschäumen aktiv beeinflusst werden.

 

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Bild 1: Prinzip des physikalischen Schäumens mit Gasgegendruck
Zur Herstellung von Formschäumen mit Gasgegendruck wurden neben der Entwicklung einer entsprechenden Werkzeugtechnik für das neue Schäumverfahren die Dosiertechnik angepasst und die Regelung des Schäumprozesses in eine gemeinsame Steuerung des Gesamtprozesses integriert. Das Treibmittel CO2 wird im Polyol-Behälter der Dosieranlage batchweise unter Druck von bis zu 25 bar in Lösung gebracht.

 

Werkzeugtechnologie für Gasgegendruck
Grundsätzlich bleibt ein Treibfluid so lange in einer Flüssigkeit in Lösung, wie der Dampfdruck unter dem Umgebungsdruck liegt. Daher wurde eine Werkzeugtechnologie entwickelt, die für einen Kavitätsinnendruck bis 30 bar ausgelegt ist. Zur Erhöhung der Schließkraft in einem Formenträger wurden zusätzliche Schnellspanner (Typ 6826C, AMF Werkzeug GmbH, Fellbach) montiert, die einen zuverlässigen Betrieb bis zum maximalen Innendruck garantieren. Zur Abdichtung wird neben der Trennebene der Anschluss des Mischkopfs über Dichtschnüre und O-Ringe aus Nitrilkautschuk (NBR) abgedichtet und die Entlüftungstechnik angepasst. Die Entlüftung erfolgt nicht in die Umgebung, sondern die Öffnungen in der oberen Werkzeughälfte sind mit einer Gasdosierstation verbunden. Sie dienen somit sowohl zu Beaufschlagung des Werkzeugs mit dem Gasgegendruck als auch dem Entlüften beim Aufsteigen des Schaums bis zur vollständigen Formfüllung. Um ein Eindringen des Schaums in das Schlauchsystem zur Gasdosierstation zu vermeiden, sind unmittelbar oberhalb der Kavität Lichtschranken (LS060312, ipf electronic GmbH, Lüdenscheid) in die Entlüftungsrohre eingebracht, die eine Formfüllung detektieren und das Signal zum Schließen der Entlüftungsrohre liefern. Zusätzlich befindet sich in der oberen Werkzeughälfte eine Kamera (Typ D27 von CTU, Kempten), die den Aufschäumvorgang in der Kavität aufzeichnet und so eine optische Analyse des Schäumprozesses erlaubt.

Zur Erprobung der Schäumtechnologie anhand eines Weichschaum-Systems wurde ein Werkzeug mit einer quaderförmigen Geometrie mit den Abmaßen 300 mm x 200 mm und einer Höhe von 100 mm entwickelt (Bild 2), um störende geometriebedingte Nebeneinflüsse zu vermeiden.

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Bild 2: Werkzeug zum physikalischen Schäumen mit Gasgegendruck

 

Zur Untersuchung des Formfüllverhaltens können über Einsätze Fließhindernisse in Form eines Fließspalts oder eines Mäanders eingebracht werden. Des Weiteren wird anhand eines Einsatzes, der die Bauteilhöhe halbiert und in dem Auswerfer integriert sind, ebenfalls die Eignung des Verfahrens für Hartschaum-Systeme untersucht.

Anlagentechnik für hohe Treibfluidbeladung

Neben dem Werkzeug sind für den Einsatz des Gasgegendruck-Verfahrens Modifikationen an der Dosieranlagentechnik erforderlich. Für die Untersuchungen wird eine Tauchkolben-Dosieranlage vom Typ Rimdomat HS500 der Hennecke GmbH, Sankt Augustin, eingesetzt. Diese ist mit einem Polyol-Behälter ausgestattet, in dem über eine CO2-Gasflasche mit bis zu 25 bar Beladungsdruck das Treibfluid in Lösung gebracht werden kann. Außerdem ist zu beachten, dass sich beim Schäumen ausschließlich mit CO2 gegenüber konventionellen PUR-Systemen das Mischungsverhältnis erheblich verändert. Als Basisformulierung für die Untersuchungen wird ein mittels Wasser getriebenes Weichschaumsystem eingesetzt, welches zur Herstellung von kaltaushärtenden Formschäumen für Fahrzeugsitze verwendet wird (Bayfit VP.PU20WF48 der Bayer MaterialScience AG (BMS), Leverkusen), wobei der Wasseranteil aus der Formulierung entfernt ist. Durch das Entfernen des Wasseranteils im Polyol entfällt der normalerweise notwendige Anteil Isocyanat für die Reaktion mit dem Wasser, so dass sich das Mischungsverhältnis des Standard-Systems für den Index 100 von 100 Gew.-Teilen Polyol zu 59 Gew.-Teilen Isocyanat beim Versuchsmaterial auf 100 : 22,6 ändert. Um bei solch hohen Mischungsverhältnissen im Mischkopf eine hochwertige Vermischung zu garantieren, wurde ein 4-Komponenten-Mischkopf der Firma Hennecke GmbH (MT12-4) verwendet. Während das Isocyanat weiterhin über eine einzige Düse dosiert wird, wird der Polyolstrom auf zwei Düsen aufgeteilt, wobei die vierte Düse verschlossen bleibt. Das bewirkt eine gleichmäßigere Aufteilung der einzelnen Volumenströme in der Mischkammer und gewährleistet dadurch eine hohe Mischgüte.

Zur flexiblen Steuerung des Werkzeuginnendrucks wurde in Zusammenarbeit mit der PME fluidtec GmbH, Ettenheim, eine Gasdosierstation mit integrierter speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) entwickelt. Diese verfügt über spezielle Kegelsitzventile, die selbst bei hohen Gasvolumenströmen die Möglichkeit zur proportionalen Druckregelung bis über 100 bar gewährleisten. Über die Station werden der Gasgegendruck vor dem Dosierbeginn des Reaktionsgemischs, optional eine Vorreaktionszeit und bis zu sieben aufeinanderfolgende Entlüftungs­geschwindigkeiten festgelegt. Dies bietet eine sehr variable und präzise Steuerung des Aufschäumens, wodurch das Zellwachstum kontrolliert werden kann.

Ergebnisse der Prozessuntersuchung

Zur Analyse des neuartigen Schäumverfahrens wurden umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich des Umfangs des Prozessfensters und der Praxistauglichkeit des Verfahrens für die PUR-verarbeitenden Unternehmen durchgeführt. Als Medium für den Gasgegendruck wird in den Untersuchungen getrocknete Pressluft verwendet, wobei exem­plarische Versuche mit CO2 und Stickstoff zeigten, dass diese ebenfalls einsetzbar sind. Ein Unterschied im Ergebnis des Schäumverfahrens ist dabei nicht festzustellen. Der Prozessablauf des Gasgegendruckverfahrens gliedert sich in die Schritte Gasgegendruckaufbau, Materialinjektion, Vorreaktionszeit, Entspannung und Aufschäumen sowie die Aushärtung im Anschluss an die Formfüllung (Bild 3).

 

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Bild 3: Druckverlauf im Werkzeug über den Herstellungszyklus

 

Schäumen mit Weich- und Hartschaum
Zur Überprüfung der Verfahrenstechnologie ist es zunächst notwendig, ein Prozessfenster zur reproduzierbaren Herstellung der Formteile zu ermitteln, wofür das Weichschaum-System verwendet wird. Der Beladungsdruck im Polyol-Behälter liegt für diese Versuche bei 15 bar. Die optische Erkennung der Verschäumungsreaktion über das Sichtfenster und das integrierte Videosystem unterstützen das Einstellen der Druckrampen, mit denen der Gegendruck reduziert und das Aufschäumen gesteuert werden. Es zeigt sich, dass mit einem Gasgegendruck in gleicher Höhe des Beladungsdruckes ein frühzeitiges Aufschäumen bei der Materialinjektion ins Werkzeug zuverlässig unterbunden wird. Für eine Formteildichte von ca. 90 kg/m³ konnten im Anschluss an eine iterative Variation der Anlagenparameter (Austragsleistung und Mischdruck), der Vorreaktionszeit (0–19 s) und der Entspannungsgeschwindigkeit reproduzierbar geschäumte PUR-Bauteile hergestellt werden. Dabei stellt sich heraus, dass für ein stabiles Zellwachstum zu Beginn des Aufschäumens eine deutlich schnellere Entspannungsgeschwindigkeit benötigt wird (0,5 bar/s) als gegen Ende des Aufschäumens, kurz vor der vollständigen Formfüllung (0,015 bar/s).

Die Lichtschranken detektieren die Formfüllung zuverlässig und schließen die Kugelhähne, so dass ein geringer Überdruck (< 1 bar) in der Kavität durch den Schauminnendruck des Bauteils bis zur Entformung aufrecht erhalten bleibt.

Ausgehend von diesen Versuchen wurde die neue Schäumtechnologie ebenfalls hinsichtlich der Verwendung für Hartschaum-Systeme untersucht. Das exemplarische Prozessfenster wurde dabei für ein PIR-System (Baydur RP.PU 31BD00A-N) von BMS ohne Treibmittelzusatz ermittelt. Für eine Dichte von 119 kg/m³ ist allerdings gegenüber dem Weichschaum ein höherer Beladungsdruck von 19 bar und dementsprechend ebenfalls 19 bar Gasgegendruck erforderlich. Die Ursache hierfür liegt in dem Mischungsverhältnis von 100 : 200. Durch den niedrigeren Polyol-Anteil gegenüber dem Weichschaum-System wird ein entsprechend höherer Beladungsdruck erforderlich, um die gleiche Treibmittelmenge zu erhalten. Bild 4 zeigt die Schaumbauteile für Weich- und Hartschaum in der Schnittansicht.

 

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Bild 4: Physikalisch geschäumte Formteile


Untersuchung des Formfüllverhaltens
Für die Herstellung praxisrelevanter Bauteile (wie z. B. Fahrzeugsitzen) ist es notwendig, dass das Schäumverfahren auch für komplexere Formteilgeometrien verwendet werden kann. Dafür wird das Formfüllverhalten anhand des Mäanders und eines Fließspalts analysiert, wobei das Weichschaum-System wie zuvor bei einer Dichte von 90 kg/m³ verwendet wird. Mit beiden Fließhindernissen ist eine vollständige Formfüllung problemlos möglich. Es verbleibt beim Fließspalt lediglich ein charakteristischer Lufteinschluss auf der rippenabgewandten Seite sowie beim Mäander an der oberen Kante der zweiten Rippe (Bild 5).

 

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Bild 5: Bauteilherstellung mit Fließhindernissen (Weichschaum)


Im Vergleich mit chemisch geschäumten Bauteilen (Bild 6) wird allerdings ersichtlich, dass diese Fehler nicht aufgrund des Verfahrens entstehen, sondern charakteristisch bei solchen Geometrien und nicht spezifisch angepassten Werkzeugentlüftungen sind.

 

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Bild 6: Vergleich des Formfüllverhaltens zu konventionellen Schäumverfahren

 

In beiden Verfahren wird zunächst ein kompaktes Reaktionsgemisch in die Werkzeugkavität gefüllt. Nach der Startzeit beginnt die chemische Schäumreaktion bzw. nach der Vorreaktion wird der Gasgegendruck gesenkt. Während beim chemischen Schäumverfahren die Steiggeschwindigkeit des Schaums über Katalysatoren gesteuert werden kann, bietet die Gasdosierstation die flexible Reduzierung des Werkzeuginnendrucks. Es bleibt festzuhalten, dass das physikalische Schäumverfahren das gleiche Aufschäum- und Formfüllverhalten zeigt wie das konventionelle Schäumen mit Wasser als Treibmittel.

Optimierung des Verfahrens
Sowohl die Bestimmung des Prozessfensters für das neue Schäumverfahren als auch die Untersuchung des Formfüllverhaltens fand mit vergleichsweise niedrigem Beladungsdruck (15 bar) statt. Durch eine Erhöhung des Beladungsdrucks auf 22 bar kann die Dichte im Weich-Formschaum nochmals deutlich reduziert werden. Die minimale Dichte ergibt sich für diese Treibmittelmenge zu 61 kg/m³ bei einer Standardabweichung von 4,48 kg/m³ (gemittelt über 10 Proben). Zur Homogenisierung der Schaumstruktur werden anschließend 0,5 Gew.-% pyrogene Kieselsäure des Typs HDK30 der Firma Wacker Chemie AG, München, dem Polyol als Zellnukleierungsmittel beigemischt. Hierdurch erfolgt deutlich sichtbar eine gleichmäßigere Zellgrößenverteilung (Bild 7).

 

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Bild 7: Aufnahme der Zellstruktur bei einer Dichte von 61 kg/m³

Die Standardabweichung bei Messung der Bauteildichte sinkt auf 3,6 kg/m³, was eine höhere Reproduzierbarkeit des Prozesses bedeutet. Die Homogenisierung der Schaumstruktur geht allerdings mit einem leichten Anstieg des durchschnittlichen Zelldurchmessers von 1,09 mm auf 1,26 mm einher.

Das Potenzial des Verfahrens wird vor allem bei Betrachtung der Stauchhärte deutlich. Zum Vergleich liegen Bauteile aus dem gleichen, aber wassergetriebenen Weichschaum-System bei einer Formteildichte von 50 kg/m³ vor. Während das physikalisch geschäumte Bauteil bei einer Dichte von 61 kg/m³ (mit pyrogener Kieselsäure nukleiert) eine Stauchhärte von 1,36 kPa besitzt, verhärten die Harnstoffe der chemischen Schäumreaktion den Schaumstoff auf 5,70 kPa. Dies entspricht mehr als der vierfachen Härte. Da ein PUR-System durch Additive und Füllstoffe zwar jederzeit härter, jedoch nur begrenzt weicher eingestellt werden kann, eröffnet das physikalische Schäumverfahren völlig neue Möglichkeiten zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte bei gleichzeitig geringer Härte.

 

Fazit und Ausblick
Durch die Entwicklung des neuen Schäumverfahrens mit Gasgegendruck steht eine Verarbeitungstechnologie zur Verfügung, mit der erstmals sehr große Mengen CO2 als physikalisches Treibmittel in der Formteilherstellung eingesetzt werden können. Der Gasgegendruck in der Werkzeugkavität erlaubt eine präzise Kontrolle des gesamten Schäumvorgangs. Ein frühzeitiges und schlagartiges Expandieren des CO2 wird vermieden, das Zellwachstum kann über die Prozessparameter, wie Vorreaktionszeit und Entspannungsgeschwindigkeit, flexibel gesteuert werden. Als Ergebnis können nun sehr leichte Formteile mit einer Dichte von 61 kg/m³ und damit deutlich unter 100 kg/m³ ökologisch vorteilhaft hergestellt werden. Die Formteildichten reichen dabei fast an das geforderte Niveau von Sitzschäumen (40–50 kg/m³) heran. Denkbar wäre für diesen Anwendungsfall auch eine Kombination des Gasgegendruck-Verfahrens mit Wasser als Treibmittel. Aber selbst in diesem Fall wird die Anzahl der Harnstoffe enorm reduziert, ebenso die Härte. Damit ist auch eine weitergehende Dichtereduktion bei Sitzschäumen und somit Gewichtseinsparungen im Fahrzeugbereich denkbar. Des Weiteren reduziert das neue Verfahren den Bedarf an Isocyanat um mehr als die Hälfte, was zusätzlich einen wirtschaftlichen Vorteil bewirkt.

Im Bereich der Hartschäume eröffnen sich neue Anwendungsfelder durch bessere Brandschutzklassifizierungen gegenüber Pentan, aber ohne die ökologischen Bedenken der fluorhaltigen Treibmittel.

Dank

Das IGF-Forschungsvorhaben 17074 N der Forschungsvereinigung Kunststoff­verarbeitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Literatur
[1] Zipfel, L.: Aktueller Status Treibmittel, Ausstiegsszenarien und Alternativen. 3. Internationale Fachtagung des Fachverbands Schaumkunststoffe e.V. (FSK). Wiesbaden, 2001
[2] Brüninghaus, V.; Sulzbach, H.-M.: Rohdichtereduzierung von Weich­schaumformteilen. Kunststoffberater 43 (1998) 10, S. 34-40
[3] N.N.: Nachgehakt: Schlitz- oder Schiebevorrichtung bei der Herstellung von CO2-getriebenen Blockweichschaumstoffen? Pressemitteilung, Hennecke GmbH, Sankt Augustin, 2003
[4] Michaeli, W.; Cramer, A.: Bessere Oberflächen beim Schaumspritzgießen. Kunststoffe 96 (2006) 12, S. 21-27