Qualität verbessern: Metallische Verunreinigungen in Kunststoffgranulaten

Bereits kleinste metallische Verunreinigungen in Kunststoffgranulaten können zu erheblichen Problemen bei der Kunststoffherstellung und -verarbeitung führen. Dagegen stehen innerhalb der Industrie hohe Qualitätsanforderungen (und damit verbundene strikte Standards) an Materialen und die daraus resultierenden Produkte.

Damit wird deutlich, dass das Erkennen von metallischen Verunreinigungen und eine kontinuierlichen Überwachung im laufenden Produktionsprozess ausgesprochen wichtig ist. Ein neues System zur Qualitätskontrolle vereint Röntgentechnologie mit einer automatischen Offline-Inspektion und -Analyse.

Fast immer ist ein hoher Einsatz erforderlich, um Fehler zu vermeiden und ein noch größerer Aufwand, um diese zu beheben. Alleine die Demontage von Spritzgusswerkzeugen, der Austausch von Heißkanalsystemen oder die Überarbeitung / Ausbesserung von Hohlräumen sind sowohl zeit- als auch kostenintensiv. Rebecca Zachau von Sikora stellt in einem Artikel für die Fachzeitschrift „Plastverarbeiter“ ein neues System vor, dass diese Situation deutlich verbessern soll.

Mit Hilfe von Röntgentechnologie wird ein zerstörungsfreier Blick ins beziehungsweise durch das Kunststoffgranulat möglich. Dazu kommt eine ebenfalls vorteilhafte Differenzierung zwischen verschiedenen Materialien wie dem Granulat und den besagten Metallpartikeln. So können im Rohstoff eingeschlossene Späne detektiert werden – und da die Röntgeneinheit zur Umgebung hermetisch abgeschlossen ist, tritt keine Strahlung nach außen, sodass die Vorgaben des Strahlenschutzgesetzes und der Strahlenschutzverordnung erfüllt werden.

Wie werden die Verunreinigungen im Kunststoff analysiert?

Auf einem Probenträger wird das Substrat durch den mit einer Röntgenkamera ausgestatteten Inspektionsbereich geführt. Innerhalb von 30 Sekunden erfolgt die Inspektion und Auswertung, wobei ein Projektor kontaminiertes Material direkt farblich markiert. Gleichzeitig wird am Monitor Größe und Fläche der Verunreinigung angezeigt. Durch die Röntgenaufnahmen werden metallische Verunreinigungen ab 50 μm auf der Oberflache wie auch innerhalb von intransparentem, farbigem und transparentem Kunststoffgranulat automatisch detektiert, visualisiert und ausgewertet.

Neben Einzelprüfungen erlaubt die Software des Systems auch Serienprüfungen und damit wertvolle Vergleiche im gesamten Produktionsprozess. Das System arbeitet zudem nicht isoliert im Betriebsablauf – über eine LAN-Schnittstelle lässt es sich mit dem Unternehmensnetzwerk verbinden und die gesammelten Daten für die Weiterverarbeitung exportieren. Das Ganze ist ein mobiles Offline-Prüfgerät auf Rollen, dass sowohl für Stichprobenkontrollen außerhalb des Produktionsprozesses im Labor als auch direkt neben der Produktionslinie eingesetzt werden kann.

Abfallvermeidung bei Verbundwerkstoffen: Additive optimieren Nachhaltigkeit und Effizienz

Recycling-Quoten zu verbessern und damit den Verbrauch von Ressourcen zu verbessern, ist heutzutage eine der herausragenden Aufgaben bei der Entwicklung und Produktion von Verbundwerkstoffen. Dazu gilt es Abfälle zu reduzieren und Produktionsreste in den Fertigungsprozess zurückzuführen, was ein bedeutenden Faktor zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung in der Kunststoffverarbeitung darstellt.

So ermöglichen neu entwickelte  Polymerstabilisatoren eine erhebliche Steigerung des Rezyklatanteils bei der Herstellung und erlauben es, mit großer Geschwindigkeit zu produzieren. Folienschäden werden vermieden und eine gleichbleibende, ununterbrochene Produktion wird gewährleistet. Dabei zeigen Versuche mit 30 Prozent Rezyklatanteil und der Verwendung des Polymerstabilisators eine Verringerung der Folienstippen um bis zu 25 Prozent.

Nicht nur für Verarbeiter von Verpackungsfolien, sondern auch für Hersteller von Kunststoffbauteilen für die Transport­ oder Elektronik-Industrie sind nachhaltige Lösungen gefragt, schreiben die Autoren Dr. Diederik Cioyvaerts und Dr. Christian Battenberg (Global Segment Manager Processors, BL) in der Fachzeitschrift „Plastverarbeiter 1/20“. Dabei steht nicht nur die Wiederwertung von Bauteilen im Fokus, sondern auch der Einsatz von Materialien, die zu einer verbesserten Nachhaltigkeit beitragen. Infolgedessen werden bei Transportanwendungen zunehmend Kunststoffe verwendet, um so das Gewicht der Transportmittel sowie deren Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Für anspruchsvolle Bauteile werden vermehrt Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Um ihre ausgereiften Materialeigenschaften weiter an die geforderten Zielwerte hinzufuhren, kommen unterschiedliche Additive, wie beispielsweise Flammschutzmittel  zum Einsatz. Dies ist aufgrund des hohen Kohlenstoff­ und Wasserstoffgehalts der zugrundeliegenden Kunststoffe und der damit verbundenen leichten Entflammbarkeit von wesentlicher Bedeutung.

Nachhaltigkeit benötigt Flammschutz bei Faserverbundwerkstoffen

Durch die Verwendung von flammgeschützten Faserverbundwerkstoffen, auch für Strukturbauteile, kann das Gewicht von Fahrzeugen reduziert werden. Dabei kommen kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe zum Einsatz – wie etwa Thermoplaste, aber vor allem Duroplaste, z.B. Epoxidharz-Systeme. Besonders für die stetig wachsende Elektromobilität sind diese Gewichtsersparnisse und die damit erhöhte Reichweite ein entscheidender Vorteil. Dabei muss berücksichtigt werden, dass jeder Anwendungsbereich andere Brandschutznormen hat, die  sich  sogar von Land zu Land unterscheiden können.

Flammschutzmittel müssen daher sorgsam ausgewählt und auf das verwendete System abgestimmt werden. Dabei beeinflusst die chemische Natur des Flammschutzmittels und dessen Zersetzungsprodukte im Brandfall sowie deren Interaktion mit dem Kunststoff die Wirkungsweise und Effektivität, so die Schweizer Autoren. Somit ist die Auswahl der passenden Flammschutzmittels gar nicht trivial – und benötigt im Gegenteil viele Tests, Erfahrung und chemisches Fachwissen.

Bei der Flammwidrigkeit sind als Additive eingesetzte, halogenfreie Lösungen heute der Benchmark, um in einer umweltverträglichen Weise das Ausbreiten eines Feuers oder die Entflammung von Kunststoff-Bauteilen zu verhindern. Neben den existierenden additiven Flammschutzmitteln lässt sich im Markt eine steigende  Nachfrage  nach  im  Harz  löslichen und  reaktiven Additiven erkennen. Ein großer Vorteil ist die hierdurch zu erzielende leicht erhöhte Viskosität im Vergleich mit pulverförmigen Mitteln.

Effektive Dachabdichtung durch Beschichtungen mit Latex imprägnierten Vliesen

Ein Flachdach in ein wasserdichtes Dach zu verwandeln, und dies für 20-30 Jahre dicht zu halten, ist nicht unbedingt eine leichte Aufgabe. Eine der verbreiteten Lösungen, um eine wasserdichte Barriere zu schaffen, ist die Verwendung von Polymerbitumen-Dachbahnen. Diese werden seit Jahren zunehmend beliebter und sind dank ihrer überragenden Langzeitleistung „legitimer“ Nachfolger von Dachpappen.

Solche Dachbahnen bestehen im Wesentlichen aus zwei Teilen: einem Polyester-Vliesstoff, der mit Latex imprägniert wurde, und den eigentlichen Träger darstellt, sowie eine Deckschicht aus Bitumen zur Abdichtung. Das Bitumen wirkt dabei auch als eine Art Klebemittel, um das Vlies mit dem ungeschützte Flachdach zu verbinden.

Ein wichtiger Bestandteil vieler dieser Polyester-Dachbahnensysteme ist ein Synthese-Latex zur Imprägnierung des Vlieses. Die Latex-Imprägnierung macht das Vlies unanfällig gegen Dimensionsänderungen wie schrumpfen und expandieren (siehe DIN-Norm 18192) – was sonst auch zu unerwünschten Rissen führen würde und die Abdichtung zerstören könnte. Diese Kräfte werden durch Temperaturschwankungen verursacht, die sich aufgrund der Jahreszeiten sowie Tag- und Nachtzyklen in einem Bereich von -40°C bis +80°C bewegen. Ein polymerimprägniertes Vlies ist denn auch deutlich weniger anfällig für diese Dimensionsveränderungen. Der Latex verhindert zudem, dass Wasser in die Bitumenbahn eindringt und beugt so einer Ablösung der Bahnen – vor, insbesondere bei Frost. Das im Latex enthaltene Vernetzungsmittel schafft eine dreidimensionale Verknüpfung der Polymerketten vor, während und nach dem Verdampfen des Wassers. Dies trägt zu einem ausgewogenen Verhältnis von mechanischer Festigkeit und Härte bei.

Vorteile bei der Umweltverträglichkeit – Reduzierung von Formaldehyd-Freisetzung

Während der Imprägnierung der Vliesstoffe mit typischen, am Markt verfügbaren, chemischen Bindemitteln wird Formaldehyd durch die Vernetzungsreaktion freigesetzt. Die Vernetzung ist jedoch – wie beschrieben – notwendig, um die geforderte Beständigkeit und eine gute thermische Stabilität zu erreichen.

Neue Latex-Verbindungen sind ammoniakfrei und enthalten keine formaldehyd-freisetzenden Vernetzer. Messungen zeigen, dass die Emission des Produkts nicht nur den bisherigen Anforderungen von < 20 ppm/m3 Abluft entspricht, sondern auch strikteren, wie der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Immissionsschutz mit 5 mg/m3 Abluft (gültig seit Februar 2020).

Neben einer Formulierung, die die Freisetzung ungewollter Stoffe vermeidet, eignen sich moderne Polymere (wie etwa das Produkt „Litex SkyShield“) auch für den Einsatz als 1 K-System ohne Duroplast­Harze. Dies führt zu erheblichen Kostenersparnissen wie etwa weniger Logistik oder eine geringere Lagerhaltung. Ein weiterer Vorteil des neuen Polymers ist, dass es die Trocknung des Vlieses bei wesentlich geringeren Temperaturen ermöglicht: Die Trocknungsluft kann während des Herstellungsprozesses von typischerweise 200°C auf 170°C reduziert werden.

Alles das stellt für den Endnutzer einen erheblichen wirtschaftlichen Nutzen im Vergleich zur herkömmlichen Technologien dar.

((Aus: nonwovens TRENDS 1/2020, Autoren: Michael Karnop, Andreas Gehr von Synthomer Deutschland GmbH, Marl/Germany))

Auch Weserland kann bei diesem Thema konkret weiterhelfen. Wir freuen uns auf Nachfragen.

RWTH Aachen testet 3-D-Wärmeschutz-Textilien in einer Simulation

Im Rahmen des Forschungsprojektes „HEATex“ entwickelte das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University Hitzeschutztextilien als Unterbekleidung. Zusätzlich zu experimentellen Versuchen werden die Wärmetransport-Eigenschaften des mehrschichtigen Hitzeschutztextils unter Einfluss von Kontaktwärme simuliert. Durch die Simulation kann eine qualitative Voreinschätzung der Hitzeschutzwirkung verschiedener Lagenaufbauten durchgeführt werden. Das Simulationsmodell wurde mit der Simulations-Software „Abaqus/CAE“ des Pariser Software-Unternehmen Dassault Systemes SE durchgeführt.

Mit dieser Vorgehensweise können Kosten und Aufwand zukünftiger Vergleiche erkennbar reduziert werden. Die Ergebnisse des Simulationsmodells zeigen denn auch eine grundsätzliche Ähnlichkeit zu den bisher genutzten experimentellen Versuchsergebnissen.

Tatsächlich sind solche Textilien und Materialien in Deutschland für etwa 10 Prozent der Erwerbstätigen ausgesprochen notwendig: An ihren Arbeitsplätzen sind sie hohen Temperaturen ausgesetzt (Metall-, Glas-, Keramik und Stahlproduktion sowie Schmieden, Gießereien, Feuerwehr etc.). Während des Arbeitseinsatzes kommt es regelmäßig zu Verbrühungen und schlimmstenfalls zum Hitzeschlag, der bei einer Körpertemperatur von über 40 °C eintritt. Mit Hilfe der Wärmeschutz-Textilien wird ein direkter Kontakt von äußerer Schutzkleidung und Haut verhindert sowie die Aufnahme und der Transport von körpereigener Feuchtigkeit verbessert.

Wie werden die Wärmeschutz-Textilien getestet?

Die textilen Schichten der Unterbekleidung werden im Test als Vollmaterialien mit isotropen Materialeigenschaften angenommen. Lufteinschlüsse innerhalb textiler Schichten und der Einsatz unterschiedlicher Materialien in einer Schicht werden durch Anpassungen der Materialparameter berücksichtigt. Letztlich werden gemittelte Parameter verwendet. Die Endtemperatur der Simulation ist mit 79,2 °C geringfügig höher als vergleichbare Endtemperaturen, die bei in vitro Versuchen an Hitzeschutztextilien mit Kontaktwärme und ohne Druck gemessen werden. In der Realität sind die Textilien ja tatsächlich von Luft umgeben. Eine Zirkulation der Luft am Textil, die durch Temperaturdifferenzen verursacht wird, führt dabei zu einer Abkühlung des Textils durch natürliche Konvektion. Dieser Effekt wird durch erzwungene Konvektion in Form von Luftbewegungen in der Versuchsumgebung verstärkt. Letztlich lässt sich sagen, so die Autoren des Institut für Textiltechnik, dass eine gewisse Ungenauigkeit in den Materialparametern dazu führt, dass die Endtemperaturen aus Simulation und Versuchen trotz einiger Vereinfachungen in derselben Größenordnung liegen.

Mit Hilfe der Simulation können Textilien in einem ersten Schritt effizient und schnell voreingeschätzt werden. Außerdem ermöglicht der komponentenweise Aufbau der Simulation schnelle Veränderungen von Materialparametern oder eine Änderung des Lagenaufbaus. Alles zusammen genommen kann dies zur Optimierung der Hitzeschutzbekleidung genutzt werden. Benutzt man eine solche Simulation, so ist besonders auf die Genauigkeit der verwendeten Materialparameter zu achten. Weitere physikalische Effekte, wie Strahlungseinflüsse, können bei Bekanntheit der Parameter in die Simulation integriert werden. Im übrigen wird von den Autoren empfohlen die benötigte Rechenleistung durch Vereinfachungen und Ausnutzungen von Symmetrien in der Geometrie zu minimieren.

Eine ausführliche Fassung von Kevin Krause, Paul Grünefeld, Lena Barth, Lukas Lechthaler, Christoph Peiner und Thomas Gries ist in melliand Textilberichte 1/2020 erschienen.

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