Prozessführung und -optimierung der chemischen Schaumextrusion von PET und anschließender Verarbeitung im ISBM-Prozess

Research output: ThesisMaster's Thesis

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@phdthesis{46985079653a4e9f8b012c21f56c0934,
title = "Prozessf{\"u}hrung und -optimierung der chemischen Schaumextrusion von PET und anschlie{\ss}ender Verarbeitung im ISBM-Prozess",
abstract = "Ziel dieser Arbeit war es, ein chemisch gesch{\"a}umtes Polyethylenterephthalat (PET) herzustellen und dieses Zweiphasensystem {\"u}ber die verschiedenen Prozessschritte bis hin zum Injektionsstreckblasen (ISBM) zu erhalten. Als Matrixpolymer wurden Flakes aus rezyklierten PET-Flaschen verwendet, die aufgrund ihrer Formeigenschaften, Chargenschwankungen und thermischer Vorgeschichte starken Einfluss auf die Verarbeitung aus{\"u}ben. Als Additive zur Schaumbildung wurden chemische Treibmittel unterschiedlicher Hersteller verwendet. Da die thermischen {\"U}bergangsbereiche von PET, verglichen zu Standardpolymeren f{\"u}r die chemische Schaumextrusion, bei hohen Temperaturen liegen, steht nur eine begrenzte Anzahl an chemischen Treibmitteln, zudem ausschlie{\ss}lich mit Fremdpolymeren als Tr{\"a}germaterial, zur Verf{\"u}gung. Nach Vorversuchen mit den sechs Treibmitteln an einem konventionellen Einschneckenextruder wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) die Schaumstrukturen untersucht, Dichtemessungen durchgef{\"u}hrt und die Strangaufweitungen ermittelt. Nach Auswertung dieser Parameter wurde ein statistischer Versuchsplan (DoE) erstellt, durch welchen die Prozesseinstellungen in der Schaumextrusion optimiert werden konnten. Die drei besten Rezepturen wurden im semi-industriellen Ma{\ss}stab produziert und ein Teil des Materials wurde, aufgrund von m{\"o}glichem hydrolytischem Abbau durch Restfeuchte oder Reaktion des Treibmittels, einem Festk{\"o}rperpolykondensationsprozess (Solid State Polycondensation, SSP) unterzogen, um die intrinsische Viskosit{\"a}t (IV) zu erh{\"o}hen. Anschlie{\ss}end wurden die Materialien im Spritzgie{\ss}prozess zu Vorformlingen (Preforms) verarbeitet. Die Prozesseinstellungen hierf{\"u}r wurden ebenso mit Hilfe eines DoEs optimiert. Als letzter Prozessschritt wurden die Preforms durch biaxiales Streckblasen zu Flaschen umgeformt. Die Schaumstrukturen der produzierten Preforms und Flaschen wurden in einem Lichtmikroskop untersucht, zudem wurden die Dichten der Flaschen und die Kontaktwinkel an ihrer Innenseite ermittelt und die Transmission sowie das Gewicht der Preforms gemessen. Unter Einbeziehung aller technischen M{\"o}glichkeiten konnten erfolgreich Flaschen mit einer homogenen Zellstruktur entlang der gestreckten Fl{\"a}chen (ausgenommen Hals) produziert werden. Theoretisch bekannte Einfl{\"u}sse auf die gesch{\"a}umte Struktur konnten sowohl im Extrusions- als auch im Spritzgie{\ss}prozess experimentell best{\"a}tigt werden. Im Extrudat konnten eine maximale Dichtereduktion von 40 % und eine minimale durchschnittliche projizierte Porenfl{\"a}che von 1 700 μm2 mit elliptischer Form erreicht werden. Die Poren in den Preforms wiesen eine sph{\"a}rische Form und einen niedrigsten Durchschnittswert von 12 000 μm2 auf, die Poren in den Flaschen lagen durch die Verstreckung deformiert vor und wiesen den niedrigsten Durchschnittswert der projizierten Fl{\"a}che von 58 000 μm2 auf. Ein Zusammenhang zwischen Opazit{\"a}t, Gewicht und Sch{\"a}umgrad der Preforms konnte nicht eindeutig festgestellt werden. Aufbauend auf die erfolgreiche Umsetzung des chemischen Sch{\"a}umens kann als Alternative das anlagenintensivere physikalische Sch{\"a}umen verwendet werden, um die Schaumstruktur in diesem Prozess zus{\"a}tzlich zu verfeinern und die projizierte Porenfl{\"a}che weiter zu verringern.",
keywords = "Schaumextrusion, Schaumspritzgie{\ss}en, PET-Rezyklat, foam extrusion, foam injection molding, recycled PET",
author = "Julia Roitner",
note = "gesperrt bis 29-11-2024",
year = "2019",
language = "Deutsch",
school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

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TY - THES

T1 - Prozessführung und -optimierung der chemischen Schaumextrusion von PET und anschließender Verarbeitung im ISBM-Prozess

AU - Roitner, Julia

N1 - gesperrt bis 29-11-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Ziel dieser Arbeit war es, ein chemisch geschäumtes Polyethylenterephthalat (PET) herzustellen und dieses Zweiphasensystem über die verschiedenen Prozessschritte bis hin zum Injektionsstreckblasen (ISBM) zu erhalten. Als Matrixpolymer wurden Flakes aus rezyklierten PET-Flaschen verwendet, die aufgrund ihrer Formeigenschaften, Chargenschwankungen und thermischer Vorgeschichte starken Einfluss auf die Verarbeitung ausüben. Als Additive zur Schaumbildung wurden chemische Treibmittel unterschiedlicher Hersteller verwendet. Da die thermischen Übergangsbereiche von PET, verglichen zu Standardpolymeren für die chemische Schaumextrusion, bei hohen Temperaturen liegen, steht nur eine begrenzte Anzahl an chemischen Treibmitteln, zudem ausschließlich mit Fremdpolymeren als Trägermaterial, zur Verfügung. Nach Vorversuchen mit den sechs Treibmitteln an einem konventionellen Einschneckenextruder wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) die Schaumstrukturen untersucht, Dichtemessungen durchgeführt und die Strangaufweitungen ermittelt. Nach Auswertung dieser Parameter wurde ein statistischer Versuchsplan (DoE) erstellt, durch welchen die Prozesseinstellungen in der Schaumextrusion optimiert werden konnten. Die drei besten Rezepturen wurden im semi-industriellen Maßstab produziert und ein Teil des Materials wurde, aufgrund von möglichem hydrolytischem Abbau durch Restfeuchte oder Reaktion des Treibmittels, einem Festkörperpolykondensationsprozess (Solid State Polycondensation, SSP) unterzogen, um die intrinsische Viskosität (IV) zu erhöhen. Anschließend wurden die Materialien im Spritzgießprozess zu Vorformlingen (Preforms) verarbeitet. Die Prozesseinstellungen hierfür wurden ebenso mit Hilfe eines DoEs optimiert. Als letzter Prozessschritt wurden die Preforms durch biaxiales Streckblasen zu Flaschen umgeformt. Die Schaumstrukturen der produzierten Preforms und Flaschen wurden in einem Lichtmikroskop untersucht, zudem wurden die Dichten der Flaschen und die Kontaktwinkel an ihrer Innenseite ermittelt und die Transmission sowie das Gewicht der Preforms gemessen. Unter Einbeziehung aller technischen Möglichkeiten konnten erfolgreich Flaschen mit einer homogenen Zellstruktur entlang der gestreckten Flächen (ausgenommen Hals) produziert werden. Theoretisch bekannte Einflüsse auf die geschäumte Struktur konnten sowohl im Extrusions- als auch im Spritzgießprozess experimentell bestätigt werden. Im Extrudat konnten eine maximale Dichtereduktion von 40 % und eine minimale durchschnittliche projizierte Porenfläche von 1 700 μm2 mit elliptischer Form erreicht werden. Die Poren in den Preforms wiesen eine sphärische Form und einen niedrigsten Durchschnittswert von 12 000 μm2 auf, die Poren in den Flaschen lagen durch die Verstreckung deformiert vor und wiesen den niedrigsten Durchschnittswert der projizierten Fläche von 58 000 μm2 auf. Ein Zusammenhang zwischen Opazität, Gewicht und Schäumgrad der Preforms konnte nicht eindeutig festgestellt werden. Aufbauend auf die erfolgreiche Umsetzung des chemischen Schäumens kann als Alternative das anlagenintensivere physikalische Schäumen verwendet werden, um die Schaumstruktur in diesem Prozess zusätzlich zu verfeinern und die projizierte Porenfläche weiter zu verringern.

AB - Ziel dieser Arbeit war es, ein chemisch geschäumtes Polyethylenterephthalat (PET) herzustellen und dieses Zweiphasensystem über die verschiedenen Prozessschritte bis hin zum Injektionsstreckblasen (ISBM) zu erhalten. Als Matrixpolymer wurden Flakes aus rezyklierten PET-Flaschen verwendet, die aufgrund ihrer Formeigenschaften, Chargenschwankungen und thermischer Vorgeschichte starken Einfluss auf die Verarbeitung ausüben. Als Additive zur Schaumbildung wurden chemische Treibmittel unterschiedlicher Hersteller verwendet. Da die thermischen Übergangsbereiche von PET, verglichen zu Standardpolymeren für die chemische Schaumextrusion, bei hohen Temperaturen liegen, steht nur eine begrenzte Anzahl an chemischen Treibmitteln, zudem ausschließlich mit Fremdpolymeren als Trägermaterial, zur Verfügung. Nach Vorversuchen mit den sechs Treibmitteln an einem konventionellen Einschneckenextruder wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) die Schaumstrukturen untersucht, Dichtemessungen durchgeführt und die Strangaufweitungen ermittelt. Nach Auswertung dieser Parameter wurde ein statistischer Versuchsplan (DoE) erstellt, durch welchen die Prozesseinstellungen in der Schaumextrusion optimiert werden konnten. Die drei besten Rezepturen wurden im semi-industriellen Maßstab produziert und ein Teil des Materials wurde, aufgrund von möglichem hydrolytischem Abbau durch Restfeuchte oder Reaktion des Treibmittels, einem Festkörperpolykondensationsprozess (Solid State Polycondensation, SSP) unterzogen, um die intrinsische Viskosität (IV) zu erhöhen. Anschließend wurden die Materialien im Spritzgießprozess zu Vorformlingen (Preforms) verarbeitet. Die Prozesseinstellungen hierfür wurden ebenso mit Hilfe eines DoEs optimiert. Als letzter Prozessschritt wurden die Preforms durch biaxiales Streckblasen zu Flaschen umgeformt. Die Schaumstrukturen der produzierten Preforms und Flaschen wurden in einem Lichtmikroskop untersucht, zudem wurden die Dichten der Flaschen und die Kontaktwinkel an ihrer Innenseite ermittelt und die Transmission sowie das Gewicht der Preforms gemessen. Unter Einbeziehung aller technischen Möglichkeiten konnten erfolgreich Flaschen mit einer homogenen Zellstruktur entlang der gestreckten Flächen (ausgenommen Hals) produziert werden. Theoretisch bekannte Einflüsse auf die geschäumte Struktur konnten sowohl im Extrusions- als auch im Spritzgießprozess experimentell bestätigt werden. Im Extrudat konnten eine maximale Dichtereduktion von 40 % und eine minimale durchschnittliche projizierte Porenfläche von 1 700 μm2 mit elliptischer Form erreicht werden. Die Poren in den Preforms wiesen eine sphärische Form und einen niedrigsten Durchschnittswert von 12 000 μm2 auf, die Poren in den Flaschen lagen durch die Verstreckung deformiert vor und wiesen den niedrigsten Durchschnittswert der projizierten Fläche von 58 000 μm2 auf. Ein Zusammenhang zwischen Opazität, Gewicht und Schäumgrad der Preforms konnte nicht eindeutig festgestellt werden. Aufbauend auf die erfolgreiche Umsetzung des chemischen Schäumens kann als Alternative das anlagenintensivere physikalische Schäumen verwendet werden, um die Schaumstruktur in diesem Prozess zusätzlich zu verfeinern und die projizierte Porenfläche weiter zu verringern.

KW - Schaumextrusion

KW - Schaumspritzgießen

KW - PET-Rezyklat

KW - foam extrusion

KW - foam injection molding

KW - recycled PET

M3 - Masterarbeit

ER -