Polymerschäume

Bekannt wurden Polymerschäume durch die spektakuläre Bergung eines Frachters im Hafen von Kuweit im Jahr 1963. Geschäumtes Polystyrol, bekannt unter dem Namen Styropor, rückte das erste Mal ins Interesse der Öffentlichkeit. Die Hebung des Schiffes gelang, da der Polyschaum ein ungeheuer großes Luftvolumen bei kleiner Masse einschließt und dadurch einen riesigen Auftrieb verursachte. Heute umgeben uns Schaumstoffe nahezu in allen Lebenslagen und sind unsere ständigen Begleiter, sei es im Schlaf- und Wohnzimmer für Matratzen und Sofas oder im Baugewerbe, wo sie wegen ihrer außerordentlichen wärmedämmenden Eigenschaften geschätzt werden.

Eigenschaften

Charakteristisch für alle Polymerschäume ist die geringe Dichte, das hohe Absorptionsvermögen für plötzlich einwirkende Kräfte, die geringe Wärmeleitfähigkeit und die niedrige Festigkeit. Schaumstoffe lassen sich in einem weiten Spektrum zwischen weich-elastisch (Weichschaumstoffe) und hart-zäh (Hartschaumstoffe) einstellen. Theoretisch kann jeder Kunststoff geschäumt werden, egal ob Thermoplast, Duroplast oder Elastomer. Typische Ausgangspolymere sind im thermoplastischen Bereich Polystyrol (PS), Polypropylen (PP) und Polyvinylchlorid (PVC). Aus Polyurethan können sowohl elastomere Weich- als auch duroplastische Hartschäume hergestellt werden. Beim Schäumvorgang entstehen Lufträume, die in einem Werkstoffgerüst dauerhaft fixiert werden. Neben harten und weichen Varianten unterscheidet man geschlossen- von offenzelligen Schaumstoffen. Offenzelligkeit wird in der Regel bei weichen Schaumstoffen angestrebt. Geschlossene Poren reduzieren die Wärmeleitfähigkeit von Hartschäumen, steigert aber deren Festigkeit. Integralschaumstoffe weisen eine unterschiedliche Dichteverteilung auf. Während der Kern sehr locker strukturiert ist, nimmt die Dichte nach außen hin zu. Die Zellstruktur wird kompakter, steifer und bildet nach außen eine glatte Schicht.

Herstellung

Grundsätzlich werden drei Verfahren unterschieden, mit denen sich Polymerschäume herstellen lassen: physikalisches, chemisches und mechanisches Schäumen. Beim physikalischen Schäumen wird einem thermoplastischen Kunststoff ein Treibmittel zugesetzt, das nach Erhitzen im schmelzflüssigen Werkstoff verdampft und nach Abkühlung Hohlräume bildet. Chemisches Schäumen geht auf die Ausgasung einer flüchtigen Komponente in Folge einer Reaktion zweier Substanzen zurück. Wird Luft in ein duroplastisches Harz eingerührt und verfestigen sich die Hohlräume bei der Vernetzung, spricht man von mechanischem Schäumen. Polystyrol entsteht in einem physikalischen Prozess. Dem Granulat ist ein Treibmittel beigemischt, das nach Erhitzen verdampft und kleine Bläschen bildet. Das Polystyrol poppt zu den bekannten Kügelchen auf. Noch mehr Dampf bringt diese in der zweiten Produktionsphase zum Verschweißen. Styroporblöcke, -platten und –formteile sind das Resultat. Die wesentlich festeren Polystyrol-Hartschäume entstehen im Extrusionsprozess. Das mit Treibmittel vermischte Granulat wird durch Wärmezufuhr erweicht und durch die Extruderdüse gepresst. Verlässt der Materialstrang die Düse, expandiert das Treibmittel um das 20 - bis 50 - fache und schäumt den Kunststoff auf. Ähnlich sieht die Herstellung von geschäumten Plattenextrudaten aus Polypropylen aus. Da Polyurethan nach der Vernetzung nicht mehr schmilzt, wird zur Herstellung von PUR-Schäumen ein anderes Verfahren auf Basis flüssiger, reaktionsfähiger Ausgangssubstanzen gewählt. In einer Polyaddition reagieren Polyole und Isocyanat miteinander und vernetzen zu Polyurethan. Wird den Polyolen als Treibmittel Wasser beigemischt, bildet sich nach einer chemischen Reaktion mit einem Teil des Isocyanats Kohlendioxid, das den Kunststoff aufschäumt. Je nach Qualität der Polyole können PUR-Schaumstoffe weich-elastisch bis zäh-hart eingestellt werden. Durch Beimischung von Fasermaterialien wie Gesteins-, Glas- oder Kohlefasern ist die Erzeugung sehr wärmeformbeständiger PUR-Schaumstoffe möglich, die selbst als Stoßfänger im Für das Herstellen von Schaumstoffteilen mit einer festen Außenhaut im Spritzgussverfahren hat sich ein besonderer Fachbegriff entwickelt: der Thermoplastschaumguss. Der Schmelze wird das Treibmittel im Zylinder unter hohem Druck zugeführt und die Masse in die Werkzeugform gespritzt. Das Treibmittel gast dort aus. Da die Polymermasse aber an die Formteilwand gepresst wird, entsteht nach Abkühlung ein Werkstoff mit einer unterschiedlichen Dichteverteilung. TSG-Bauteile haben eine feste und kompakte Außenstruktur und ein geschäumtes Inneres. Wanddicken zwischen 4 und 30 Millimeternsind üblich. Der Thermoplastschaumguss kann auf jeder konventionellen Spritzgussmaschine durchgeführt werden. Die Einspritzdrücke sind im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen erheblich niedriger, was den Thermoplastschaumguss zu einer preiswerten Fertigungstechnologie selbst für kleine und mittlere Stückzahlen macht. Anwendung: Die Palette der Schaumstoffprodukte ist groß. Styropor und PS-Hartschaum sind wegen ihrer wärmedämmenden und schallisolierenden Eigenschaften insbesondere im Baugewerbe beliebt und finden als Wergwerfgeschirr Verwendung. Preiswerte Styroporkugeln und -formteile sind aus dem Verpackungsbereich gar nicht mehr wegzudenken. Weich-elastische PUR-Schaumstoffe werden vorzugsweise für Polsterungen im Möbelbereich verwendet, finden Einsatz in Kissen oder Autositzen oder sind uns allen als Küchenschwammtücher bekannt. Offenzellige Schaumstoffe eignen sich insbesondere zur Schallabsorption. Weiche PU-Integralschaumstoffe werden bei der Herstellung von Sport- und Turnschuhen verwendet und begegnen uns als flexible Lenkradumhüllung oder als Kopfstütze im Fahrzeuginneren. Harte PUR-Schäume sind insbesondere als Isoliermaterial in der Anwendung. Außerdem können sie Leichtbaukonstruktionen im Fahrzeug- und Flugzeugbau stabilisieren. Typische Verwendungsbeispiele für Formteile aus Schaumstoffen sind Stoßfängerkerne, Sonnenblenden oder Sportartikel. TSG-Bauteile kommen für die Einhäusung elektrischer Geräte in Frage.

Verarbeitung:

Harte Schaumstoffplatten lassen sich problemlos mit allen aus der Metall- oder Holzbearbeitung bekannten Verfahren zerspanen (Sägen, Fräsen, Drehen). Die Oberflächen können mit hohem Abtrag geschliffen werden. Für den Zuschnitt von Styroporplatten stehen außerdem Thermosägen zur Verfügung. Weiche Polymerschäume werden entweder mit dem Cutter oder einer Schere zugeschnitten. Zum Kleben von Styropor wurden spezielle Styroporkleber entwickelt. Auch doppelseitige Klebefolie kann Verwendung finden. Für weiche Schaumstoffe eignen sich Kontaktklebstoffe. Zwei-Komponentensysteme auf Epoxid- und Polyurethanbasis kommen vor allem bei Hartschaumstoffen zur Anwendung. Das Färben von Schaumstoffen ist durch einfaches auchen in Farbmittel möglich.

Lieferformen:

Schaumstoffe sind in vielen Abmaßen als Plattenmaterial mit den unterschiedlichsten Durchmessern erhältlich. Thermoplastische Schaumstoffe weisen eine Dichte zwischen 12-300 g / cm³ auf. Die Kombination hoher Steifigkeit mit geringer Dichte wird bei Sandwichplatten genutzt. Diese im Ausstellungs- und Werbebereich verwendeten Verbundmaterialien (z. B. KAPA Line, KAPA Mount) sind meist aus Polyurethanschaum, der mit einer Papier- oder Kartonlage kaschiert wird. Dadurch entstehen überaus leichte und großflächige Papierformate mit hoher Steifigkeit