CA-2K: Nachhaltige Alternativen für Hart-Weich-Verbindungen

Verbund aus einer biobasierten Hartkomponente und einer biobasierten Weichkomponente für das 2K-Spritzgussverfahren

© Universität Kassel

Radschützer und Handgriffe einer Fahrradpumpe

Die Abmusterung des entwickelten Materials als Radschützer und zu Handgriffen für Fahrradpumpen erfolgte durch die SKS metaplast Scheffer-Klute GmbH.

© Fraunhofer UMSICHT

Biobasierte Zahnbürstengriffe

Sunstar Interbros GmbH produzierte aus dem entwickelten Material im 2K-Spritzguss Zahnbürstengriffe.

Projektziele: Biobasierter Kunststoffverbund

Die Entwicklung eines biobasierten Kunststoffverbunds aus einer Hartkomponente und einer Weichkomponente für den 2K-Spritzguss ist Ziel eines gemeinsamen Forschungsvorhabens vom Fraunhofer UMSICHT, dem Institut für Werkstofftechnik der Universität Kassel sowie der FKuR Kunststoff GmbH. Weitere Industriepartner entlang der gesamten Wertschöpfungskette vom Rohstoffhersteller bis zum Kunststoffverarbeiter unterstützen das Projekt als assoziierte Partner.

Nutzen: Nachhaltige und umweltverträgliche Produktentwicklung

Der Einsatz von Hart-Weich-Kunststoffverbunden ist vielfältig und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Im Konsumgüterbereich werden sie beispielsweise für Sportgeräte oder Spielwaren, im Hygieneartikelbereich für z.B. Zahnbürsten, im Büroartikelbereich für Schreibgeräte und ähnliches eingesetzt. Auch in technischen Anwendungen wie dem Fahrzeugbau, der Medizintechnik oder der Elektroindustrie sind sie häufig zu finden. Neben den gewünschten technischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe rücken bei Produktentwicklungen verstärkt Faktoren wie Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit in den Mittelpunkt. Innovative Biokunststoffverbunde können in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag leisten. Hier setzt das Konsortium unter der Leitung vom Fraunhofer UMSICHT an.

Als mögliche Hartkomponenten für den Verbund wurden Celluloseacetat (CA), Polymilchsäure (PLA)-Blends sowie Polyhydroxyalkanoate (PHA) ausgewählt. Als Weichkomponenten kamen biobasierte thermoplastische Polyurethane (TPU) und Elastomere (TPE) zum Einsatz. Für einen anwendungsfähigen biobasierten Hart-Weich-Verbund müssen beide Kunststoffkomponenten gut miteinander verträglich sein, so dass sie fest aneinander haften. Die Grenzschicht zwischen der Hartkomponente und der Weichkomponente ist dabei von entscheidende Bedeutung. Herausforderung ist hierbei vor allem die unterschiedliche Polarität und Oberflächenspannung der beiden Kunststoffmaterialien. Aber auch andere Parameter wie beispielsweise Verarbeitungsbedingungen oder verwendete Additive beeinflussen die Haftung.

Innovative Modifizierung der Hartkomponente

Die biobasierten Hartkomponenten und Bio-TPE als Weichkomponente sind nicht verträglich und besitzen ohne geeignete Modifizierung kein ausreichendes gegenseitiges Haftvermögen. Zur Reduzierung der Polaritäts- und Spannungsdifferenzen wurden im Forschungsvorhaben Compounds mit unterschiedlichen Kompatibilisatoren zur Verbesserung der Phasenverträglichkeit hergestellt. Dadurch konnte auch die Haftwirkung der 2K-Verbunde gezielt verbessert werden.

Die wichtigste Einflussgröße auf die Eigenschaften des Haftverbunds ist die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Materialien. Die Oberflächenenergien der einzelnen Materialien wurden daher mittels Drop Shape Analysis (DSA) an der Universität Kassel bestimmt und zur Berechnung der Grenzflächenspannung genutzt. Zudem wurden dort auch die Prozesseinstellungen zur Herstellung von Hart-Weich-Verbunden im 2K-Spritzguss optimiert.

Deutliche Verbesserung der Haftung

Mittels Schälversuchen nach VDI 2019, Prüfung der Haftung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) an Substraten, wurde an der Uni Kassel die Verbundhaftung zwischen den Weichkomponenten und sowohl unkompatibilisierten als auch kompatibilisierten Hartkomponenten bestimmt. Die Messungen zeigten, dass die kompatibilisierten Komponenten zu einer deutlich besseren Verbundhaftung führen. Die Abschälkraft konnte durch die Modifizierung von 0 N (entspricht keiner Haftung, die Komponenten trennen sich bereits bei Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug) auf beachtliche 174 N erhöht werden.

 

Ergebnis: Industrielle Produktion biobasierter Compounds

Die Herstellung ausgewählter Compounds wurde bei der FKuR Kunststoff GmbH erfolgreich in den industriellen Produktionsmaßstab übertragen und den anderen industriellen Partnern für Abmusterungsversuche zur Verfügung gestellt. Die Firma SKS metaplast Scheffer-Klute GmbH stellte Radschützer und Luftpumpengriffe her. Diese wurden jeweils mittels Umsetztechnik im 2K-Spritzguss hergestellt, wobei zunächst die Hartkomponente in einer Einfachkavität gespritzt wird. Auf einer zweiten Spritzgussmaschine wird die Hartkomponente in ein weiteres Werkzeug eingelegt und mit der Weichkomponente überspritzt. Bei der WEGU GmbH Leichtbausysteme wurden Luftleiter für den Motorinnenraum von PKW abgemustert. Hierzu wurde eine Spritzgussmaschine mit zwei Spritzgießaggregaten verwendet, so dass gleichzeitig beide Komponenten in einem geteilten Werkzeug gefertigt werden konnten. Auch die Versuche bei den Firmen Ritter-Pen GmbH (Hart-Weich-Griffe für Schreibgeräte) und Sunstar Interbros GmbH (Zahnbürstengriffe) verliefen erfolgreich.

 

Projektpartner von CA-2K

  • Institut für Werkstofftechnik der Universität Kassel
  • FKuR Kunststoff GmbH 
  • Weitere assoziierte Industriepartner 

Förderung

Laufzeit: Dezember 2016 bis Mai 2020
Förderkennzeichen: 22000915, 22011816, 22011916
Webseite: www.bmel.de