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Ein Schaumstoff ist ein Kunststoff, dessen Struktur durch viele Zellen (von Grund-material eingeschlossene Hohlräume, Poren) gebildet wird. Es eignen sich fast alle Kunststoffe zum Schäumen.
Einteilung
- Geschlossenzelliger Schaumstoff: die Wände zwischen den einzelnen Zellen sind komplett geschlossen.
- Offenzelliger Schaumstoff: die Zellwände sind nicht geschlossen, diese Schaumstoffe können daher
Flüssigkeiten aufnehmen.
- Gemischtzellige Schaumstoffe enthalten beide Arten von Zellen.
- Integralschäume: Sie haben eine geschlossene dicke Außenhaut und einen zelligen Kern, die Dichte
nimmt nach innen hin ab.
Eigenschaften
Schaumstoffe zeichnen sich durch eine sehr niedrige Dichte (hier Raumgewicht genannt) und Wärmeleitfähigkeit bei nur geringer Festigkeit aus. Die Ver- und Bearbeitbarkeit ist bei geringen Werkzeugkosten einfach möglich. Bedingt durch den inneren Aufbau, sind Bauteile aus Schaumstoff nahezu eigenspannungsfrei.
Festigkeiten und Gewicht
 Die Festigkeit wird in Stauchhärte (meistverbreitet aber ungenau) oder
Eindruckhärte (unbekannter aber aussagekräftiger) ausgedrückt.
Das Raumgewicht wird in kg/m³, veraltet auch g/l, angegeben.
Das Raumgewicht und die Stauch- bzw. Eindruckhärte sind zumeist nicht von einander abhängig. Ein schwerer Schaumstoff muss kein fester Schaumstoff sein. Dies ist vielmehr vom Einsatz der Rohchemikalien, dem „Wetter“ (das relative Klima bei der Schäumung) und den handwerklichen Fähigkeiten des Schäum-meisters abhängig. Daraus ergeben sich Toleranzen. Festigkeitstoleranzen werden im Bereich +/- 15% von Charge zu Charge und innerhalb der Charge akzeptiert
Schäumverfahren
Nach Art der Herstellung unterscheidet man:
- physikalisches Schäumen: Das Material wird durch einen physikalischen Vorgang geschäumt.
- chemisches Schäumen: Bei der Herstellung des Kunststoffes entstehen Gase, die das Material
aufschäumen.
- mechanisches Schäumen: Hierbei wird Luft in das zu schäumende Harz oder Paste eingerührt, durch
vernetzen des Harzes oder durch gelieren der Paste, verfestigt sich dieser Schaumstoff.
Schaumextrusion
Bei der Herstellung von PP-E-Partikelschaum (ebenso möglich ist dies für Polyethylen, Polystyrol, PET oder Biopolymere) wird aufgeschmolzenes Polypropylen im Extruder unter hohen Drücken mit Treibgas (z. B. Pentan, CO2) versetzt. Beim Austreten aus einer Lochdüse expandiert der Kunststoff auf das 20- bis 50-fache. Die entstehenden Schaumstränge werden durch rotierende Messer im Wasserringgranulator oder Unterwassergranulator zu Schaumpartikeln von ca. 2-8 mm Durchmesser gekürzt, vom Wasser abgeschieden, getrocknet, in Silos konditioniert und dann im sog. Formteilprozess zu Schaumformteilen verarbeitet.
Formteilprozess
Der Formteilprozess dient zur Verarbeitung von Schaumstoffpartikeln (PS-E, PP-E, PE-E) zu Schaumstoffformteilen.
Schaumstoffkügelchen mit Durchmessern von ca. 1-8 mm werden in poröse Aluminiumformen eingeblasen und mittels Heißdampf (ca. 1,2 bar für PS-E, ca. 3 bar bei PP-E) miteinander versintert. Nach der Abkühl- und Stabiliserphase können die neu entstandenen Formteile entformt werden.
Dieses Herstellverfahrfahren ermöglicht es, thermoplastische Schaumteile im Dichtebereich zwischen ca. 12 Kg/m³ und 300 Kg/m³ bei sehr homogener Dichteverteilung über das gesamte Schaumteil herzustellen. Direktschäumverfahren mit chemischen oder physikalischen Treibgasen beim Spritzguss erlauben dies wegen der begrenzten Abkühlgeschwindigkeit bei größeren Wandstärken nicht.
Der Formteilprozess ist sehr energieintensiv, da bei jedem Zyklus (Schuss) das Werkzeug (Form) und einige Teile des Formteilautomaten aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen.
Anwendungsgebiete der PP-E Formteile sind z.B. Isolierbehälter, Heizungsisolationen, Mehrwegtransportverpackungen und in zunehmendem Maße Automobilteile wie Stoßfängerkerne, Sonnenblenden, Crashpads, Toolboxen (die in der Ersatzradfelge liegen und z.B. Anhängerkupplung, Wagenheber und Bordwerkzeug aufnehmen) oder Freizeitartikel.
Die Schaumextrusion von Partikelschaumstoffen bietet folgende Vorteile gegenüber im Autoklaven hergestellten Partikelschäumen:
kostengünstige Herstellung, da ein Verfahrensschritt entfällt (Autoklavbehandlung)
einfacherer und schnellerer Farbwechsel
Styroporverfahren
Expandiertes Polystyrol (PS-E) wird durch physikalisches Schäumen hergestellt: Das treibmittelhaltige Granulat (5% Pentan) wird zunächst durch Erhitzen mit Wasserdampf bei ca. 105 °C bis auf das 40 bis 80-fache Volumen vorgeschäumt und danach zwischen 3 und 48 Stunden bei Raumtemperatur zwischengelagert, so dass danach das Pentan bis auf einen Anteil von ca. 3% entweichen und Luft eindringen kann. Somit wird die Entstehung eines Vakuum im Inneren vermieden. Beim Fertigschäumen wird das vorgeschäumte PS-E in eine Form gefüllt und durch weiteres Erhitzen auf ca. 130 °C mit Wasserdampf expandiert, das heißt, es füllt die Form und die einzelnen Teilchen verschmelzen an den Rändern. Bei großen Blockformen wird meist zudem vor dem Einbringen des Wasserdampfes ein Vakuum angelegt, um das Expandieren der PS-E Teilchen zu begünstigen.
Die Dichte wird durch den Vorschäumgrad bestimmt. Wird dieser jedoch zu groß, so fällt das fertige Produkt zusammen.
TSG
Durch Zugabe von Treibmitteln zu einer Reihe von Thermoplasten, auch solche mit Füllstoffen (Glas- oder Karbonfasern) lassen sich Schaumstrukturen in Spritzguss-teilen erstellen. Die Treibmittel können je nach Art und Konsistenz dem Granulat in wenigen Prozent zugemischt oder der Schmelze im Zylinder in flüssigem Zustand unter hohem Druck zugepumpt werden. Im Kern besitzen die entste-henden Formteile eine Schaumstruktur, zur Oberfläche hin eine weitgehend kompakte Außenhaut. Das Verfahren wird angewendet, um z. B. dickwandige Partien an Spritzgussteilen mit einem Schaumkern zu versehen, um Einfallstellen zu vermeiden bis hin zur Innenschäumung relativ dickwandiger Formteile, um Gewicht sparen zu können, ohne die Wanddicke reduzieren zu müssen. Man wendet das Verfahren bei Wanddicken ab 2 mm, aber meist bei Wanddicken zwischen 4 und 20 mm an.
Die erforderlichen Drücke für den Einspritzvorgang in das Werkzeug und den Nachdruck sind erheblich niedriger, als für das normale Spritzgießen. So sind die Maschinen meist nur mit Einspritzdrücken bis ca. 1000 bar ausgestattet. Die großen Schussgewichte realisiert man oft mit Kolbeneinspritzaggregaten, die durch eine Vorplastifizierschnecke befüllt werden. Ein Nachdruck kann meist entfallen, da die Konturbildung in der Werkzeughöhlung durch die Expansion des Treibmittels erfolgt. Abgesehen von dem zuletzt genannten Unterschied ist das Verfahren dem normalen Spritzgießen prinzipiell sehr ähnlich. Jede normale Spritzgießmaschine ist für das Verfahren verwendbar.
Das TSG-Verfahren eignet sich dafür, besonders steife Konstruktionen zu erstellen, da beliebige Wanddickenunterschiede herstellbar sind, ohne dass Einfallstellen entstehen. Häufig werden auf Rundtischmaschinen mehrere Werkzeuge nacheinander eingespritzt. Damit wird die Ausbringung trotz langer Kühlzeiten (durch die großen Wanddicken) verbessert.
PUR-Schäumen
Hier werden im Gegensatz zum Styroporverfahren flüssige, reaktionsfähige Ausgangstoffe vom Verarbeiter verwendet. Werden Polyole mit Isocyanaten und dem Treibmittel vermischt, so reagiert das Polyol mit dem Isocyanat in einer Polyaddition zu PUR (Polyurethanschaum) und das Treibmittel bildet Gaseinschlüsse. Zusatzstoffe wie auch das Treibmittel werden im Polyol beigemengt, so dass meist zwei Komponenten zum Einsatz kommen.
Je nach Auswahl des Ausgangsstoffe können die Eigenschaften eingestellt werden. So erhält man bei Verwendung von langkettigen Polyolen weiche bis elastische Schäume, oder bei kurzkettigen Polyolen stark vernetzte harte Schaumstoffe.
Als Hauptverfahren kann man das kontinuierliche Bandschäumen und die beiden diskontinuierlichen RSG (Reaktionsschaumguss) und RIM (Reaktion-Injektions- Moulding) bzw. Niederdruck und Hochdruck-Verfahren, wobei das letztere immer mehr Verbreitung findet.
Bei den diskontinuierlichen Verfahren muss beachtet werden, dass Ringleitungen installiert werden, um ein "Abstehen" oder ein Entmischen zu verhindern, denn z. B. das Isocyanat sollte über 15 °C warm sein, da es sonst kristallisiert. Des weiteren sollte auch ein Reinigungssystem für den Mischkopf vorgesehen werden, um ein Verkleben zu verhindern.
RRIM
Beim RRIM (Reinforced Reaction Injection Moulding) werden zwei Komponenten (Polyol und Isocyanat) und ein Verstärkungsstoff (z.B. Glasfaser, Kohlefaser, Gesteinsmehl) im sogenannten Mischkopf gemischt und unter hohem Druck in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Nach der exothermen Reaktion der Komponenten ist der duroplastische Kunststoff Polyurethan entstanden und kann dem Werkzeug entnommen werden. Anwendungsbeispiele sind Außenhautteile in der Automobilindustrie, wie Kotflügel, Schweller- und Stoßfängerverkleidungen. Ein Vorteil des Polyurethans gegenüber thermoplastischen Kunststoffen liegt in der relativ hohen Wärmeformbeständigkeit.
MuCell™-Verfahren
Die MuCell™-Technologie ist ein physikalisches Verfahren zum Schäumen von Thermoplasten mit Maschinen für mikrozellulär geschäumte Formteile. Als Treibmittel werden Stickstoff oder Kohlendioxid eingesetzt. Das Gas wird in einem Dosiersystem aufbereitet und in den überkritischen Zustand versetzt. Es entsteht eine Flüssigkeit (SCF = SuperCritical Fluid), die sich gut dosieren und steuern lässt.
Das MuCell™-Verfahren ist durch weltweite Patente geschützt. Für seine Anwendung ist eine Lizenz der Firma Trexel Inc., Woburn, MA, USA erforderlich.
Beispiele:
- Thermoplastische Schäume (z. B. PS-E PP-E und PVC-E)
- Elastomere Schäume (z. B. PUR-Weichschaum, NBR)
- Duroplastische Schäume (z. B. PUR-Hartschaum, PF)
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