Upcycling von Polypropylen: Herstellung von Schäumen

Abstract

Polymerschäume werden heutzutage durch ihre einzigartigen Eigenschaften, insbesondere ihrer niedrigen Dichte und Wärmeleitfähigkeit in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. Polypropylenschäume sind ein vielversprechender Ersatz für viele industrielle Anwendungen. Das hohe Potential wird allerdings durch die geringe Schmelzfestigkeit und die niedrige Schmelzelastizität eingeschränkt. Die Arbeit ist Teil des Projekts „Innovatives Kunststoffen Up-Cycling“, dessen Ziel das „Upcycling“ von Polypropylen aus Nachgebrauchsabfall durch Langkettenverzweigung ist. Da die Schaumproduktion eine vielversprechende Nischenanwendung des recycelten Polypropylene ist, wurde in dieser Arbeit die Herstellung von Schäumen aus ausgewählten Thermoplasten mittels Schaumextrusion näher untersucht. Ziel dieser Arbeit war die Optimierung vom chemischen Schäumen im Einschneckenextruder um anschließend den Einfluss der Langkettenverzweigung auf die Schäumbarkeit zu ermitteln. Dazu wurden die optimalen Prozesseinstellungen und Prozessparameter für einen Einschneckenextruder ermittelt und in Vorversuchen das Schaumverhalten von Polystyrol und Polyethylen niedriger Dichte untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Düse und speziell auch die eingestellte Temperatur an der Düse den größten Einfluss auf die Schaumqualität haben. Aus diesem Grund wurde die ursprüngliche Düse des Extruders verlängert und der Querschnitt vergrößert. Auch die Drehgeschwindigkeit der Schnecke und die Art des Schäumungsmittels beeinflusst das Schaumergebnis. Des Weiteren haben rheologische Eigenschaften, wie die Schmelzsteifigkeit und die Dehnverfestigung einen Einfluss auf den produzierten Schaum. Es konnten die optimalen Prozessparameter für die Schaumextrusion mittels Einschneckenextruder gefunden und Schäume unterschiedlicher Thermoplasten hergestellt werden. Die Langkettenverzweigung verbessert die Schäumbarkeit von Polypropylen. Lineares Polypropylen wurde dazu mittel Reaktivextrusion mit einem Peroxydicarbonat (PODIC) langkettenverzweigt und mit einem chemischen Schäumungsmittel geschäumt. Dies alles erfolgte in einem einzigen Extrusionsschritt. Der hergestellte Schaum wurde mit dem Schaum einer kommerziellen HMS-PP Type und dem Schaum des linearen Polypropylens verglichen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Langkettenverzweigung mittels Reaktivextrusion in Kombination mit chemischem Schäumen des Polypropylens eine vielversprechende Methode zur Schaumherstellung aus linearem Polypropylen ist.

Foamed polymers are used in many applications due to their outstanding characteristics such as their reduced weight and thermal conductivity. A promising substitute in many industrial applications are polypropylene foams. Unfortunately, their high potential is limited by the low melt strength and melt elasticity. This thesis is embedded in the project “innovative polymer upcycling”, which focuses on the up-cycling of polypropylene from post-consumer waste by long chain branching. As the foam industry is considered as an application sector, the focus of this thesis is on the foam production by foam extrusion of selected thermoplastics, such as polypropylene. Therefore, the optimal processing conditions and process parameters for a single screw extruder set-up were determined and preliminary studies of the foamability of polystyrene and low-density polyethylene were conducted. The die temperature had the greatest impact on the foam quality, followed by that of the screw speed and the type of chemical foaming agent. The original die of the single screw extruder was extended with an additional forming section for this reason. Rheological properties, such as high melt strength and pronounced strain hardening also had an influence on the produced foam. The optimal processing conditions for an extrusion foaming process were found and foams of various thermoplastic resins were produced. Long-chain branching of polypropylene improved its foamability. Additionally, a linear polypropylene was long-chain branched by reactive extrusion with peroxydicarbonate (PODIC) and foamed with a chemical blowing agent in one step. The produced foam was compared to a long chain branched polypropylene foam from a commercial high melt strength polypropylene and the foam of the linear polypropylene resin. The foaming with PODIC and a chemical blowing agent proved to be a promising method for the production of polypropylene foams from linear polypropylene resins.