Grundlagenbeitrag

Andreas Mühlbauer,

Kunststoffverarbeitung in der Industrie

Aus unserem Alltag sind Kunststoffe nicht mehr wegzudenken. Aufgrund der zahlreichen Ausgangsmaterialien und deren Eigenschaften sowie sehr unterschiedlichen Endprodukte gibt es entsprechend unterschiedliche Verfahren zur industriellen Verarbeitung der Polymer-Materialien.

© shutterstock.com/Pixel B

Kunststoffe in den verschiedensten Formen finden als Schläuche, Folien sowie als stoßmindernde Formteile und Schaumstoffe, elektrische Isolation oder als Halbzeuge, wie Rohre und Profile, Anwendung. Je nach Art des Kunststoffs erfolgt die Verarbeitung mit unterschiedlichen Techniken. Die Verarbeitung von Kunststoffen variiert je nach Art des Kunststoffs. Die Polymere lassen sich in Duroplaste, Elastomere und Thermoplaste einteilen.

Die drei Kunststoffklassen

Duroplaste bestehen aus engmaschig vernetzten Polymeren. © RCT

Duroplaste sind harte Kunststoffe, die sich nur formen lassen, bevor sie ausgehärtet sind – nachträglich lassen sie sich nicht mehr umformen. Diese Eigenschaft verdanken sie einer starken Vernetzung der Polymere. Daher muss eine Bearbeitung spanend erfolgen, zur Verbindung eignet sich in der Regel Kleben. Melamin-Phenolharze und Epoxidharze beispielsweise sind Duroplaste. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der belgische Chemiker Leo Hendrik Baekeland einen duroplastischen Kunststoff, das nach ihm benannte Phenol-Formaldehydharz „Bakelit“.

Elastomere sind weitmaschig vernetzte Polymere. © RCT

Die zweite Kategorie, die Elastomere, sind, wie der Name sagt, elastische Werkstoffe. Diese Eigenschaft verdanken sie der Tatsache, dass sie weniger stark vernetzt sind als Duroplaste. Sie sind verformbar, kehren jedoch von alleine wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Gleichzeitig haben sie eine geringere Temperaturstabilität als Duroplaste. Ein Vertreter dieser Gattung ist beispielsweise Silikonkautschuk.

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Thermoplastische Polymere sind unvernetzt. Häufig haben sie eine teilkristalline Struktur. © RCT

Thermoplaste wiederum sind Kunststoffe, die sich bei Erwärmung verformen beziehungsweise schmelzen. Bei Erkalten werden diese Stoffe wieder fest. Diese Eigenschaft verdanken sie der Tatsache, dass die Polymere nicht durch Elektronenpaar-Bindungen, sondern durch molekülübergreifende Dipol-Verbindungen zusammengehalten werden. Diese so genannten Van-der-Waals-Bindungen sind verhältnismäßig schwach und lösen sich bei thermischer Bewegung der Moleküle sehr schnell. Daher sind Thermoplaste bei Erwärmung leicht umformbar.

Spritzguss und Extrusion

Die hauptsächlich verwendeten Verfahren für die Kunststoffverarbeitung sind Spritzguss und Extrusion. Alle drei genannten Kunststoffklassen lassen sich durch Spritzgussverfahren verarbeiten. Beim Spritzguss werden die Ausgangsstoffe über einen Trichter der Spritzeinheit zugeführt. Dies ist im Wesentlichen eine beheizte Schneckenpumpe, an deren Ende sich eine Düse befindet. Der erwärmte Kunststoff ist plastisch formbar und lässt sich daher unter hohem Druck in eine Form einspritzen. Ist das Material abgekühlt, kann es aus der Form entnommen werden. So lassen sich auch komplexe Teile in hohen Stückzahlen herstellen.

Im Spritzguss lassen sich auch komplexe Formteile in großer Stückzahl herstellen. © shutterstock.com/science photo

Schläuche und Rohre werden im Extrusionsverfahren hergestellt

Das Prinzip der Extrusion ist ähnlich. Jedoch erfolgt hier der Spritzguss kontinuierlich – es lassen sich beispielsweise lange Rohre herstellen. Im Gegensatz zum klassischen Spritzguss-Verfahren ist die Extrusion jedoch nur für Thermoplaste sinnvoll einsetzbar. Eine Schneckenpumpe presst den geschmolzenen Werkstoff durch eine Düse in Form zu einem endlosen Strang. Halbzeuge wie Rohre, Schläuche oder Profile mit komplizierterer Geometrie, ebenso wie Folien, lassen sich mit diesem Verfahren herstellen.

Kalandrieren und Blasformen

Kalandrieren und Blasformen sind weitere in der Kunststoffverarbeitung häufig verwendete Verfahren. Das Blasformen ist ebenfalls eine Extrusionstechnik. Damit werden hauptsächlich Flaschen oder andere Behältnisse hergestellt. Verarbeitet werden dabei in erster Linie Thermoplaste wie Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Poly-amid (PA) oder Polyethylen (PE). Hierbei wird ein erwärmter schlauchförmiger Rohling mit Druckluft aufgeblasen, wobei das Material an die Innenseite der Form angepresst wird und dadurch das entsprechende Profil erhält.

Mit einem Extruder lassen sich lange Bauteile unveränderten Querschnitts herstellen. © shutterstock.com/Forance

Um größere Hohlkörper herzustellen, nutzt man das Rotationsformen. Die Form selbst rotiert hierbei, und das geschmolzene Material lagert sich durch die Zentrifugalkraft am Inneren der Form an. Der Vorgang wird mehrmals wiederholt, es lagern sich mehrere Schichten an. Dadurch lassen sich nahtlose dickwandige und spannungsfreie Hohlkörper herstellen, beispielsweise Kraftstofftanks, Abfallbehälter und Fässer.

Die Herstellung von Platten und Folien erfolgt mit der Technik des Kalandrierens. Diese eignet sich auch für das Beschichten mit Kunststoffen. Zwischen beheizten Walzen wird der Werkstoff aufgeschmolzen und lässt sich dann zu Platten oder Folien walzen oder unter Druck auf ein anderes Material aufbringen. Im Gegensatz zum Blasformen lassen sich mit dem Kalandrier-Verfahren also deutlich dickere Folien herstellen, wie beispielsweise Teich- oder andere Isolierfolien.

Um Metallflächen vor Korrosion zu schützen, kann man sie im Wirbelsinter-Verfahren mit einem thermoplastischen Kunststoff beschichten. Verwirbeltes Thermoplast-Pulver lagert sich dabei auf dem auf 200 bis 400 °C erhitzten Metall ab. Dort schmilzt es und bildet eine geschlossene, porenfreie Kunststoffschicht. Verwendet werden beim Wirbelsintern Kunststoffe wie Polyamid, Polyethylen, Polyester und thermoplastische Fluorpolymere, wie Ethylenchlortrifluorethylen. Das Verfahren ist eine wirtschaftlichere Alternative zur Spritzlackierung.

Geschäumte Kunststoffe

Geschäumte Kunststoffe eignen sich unter anderem zur Dämmung oder als Verpackungsmaterialien. © pixabay/Rupert Kittinger

Geschäumte Kunststoffe eignen sich aufgrund ihrer Struktur sehr gut als thermische Isolierstoffe. Bei sehr geringem Eigengewicht haben sie zudem sehr gute Dämpfungseigenschaften gegenüber Schall und Schwingungen. Man unterscheidet zwischen geschlossenzelligen und offenzelligen Schaumstoffen. Meist sind die Materialien jedoch gemischtzellig, enthalten also offene und geschlossene Zellen, deren Anteile variabel sind und so die Eigenschaften des Materials bestimmen.

Sowohl Duroplaste als auch Elastomere und Thermoplaste eignen sich grundsätzlich zur Herstellung von Schaumstoffen. Aus Duroplasten und vielen Thermoplasten gewinnt man harte Schäume, Elastomere eignen sich zur Herstellung von Weichschäumen. Zu wirtschaftlich verwertbaren Materialien lassen sich unter anderem Polystyrol (PS) und Polyurethan (PUR) verarbeiten. Polyurethan lässt sich je nach Reaktionsbedingungen sowohl zu Weichschaum, wie beispielsweise Moosgummi, als auch zu Hartschaum verarbeiten. Geschäumte Kunststoffe finden sich in Form von Platten oder Profilen wie auch als speziell gefertigte Formteile und Verpackungsmaterialien in unzähligen Produkten.

Die unterschiedlichen Kunststoffarten erfordern zum Teil sehr spezialisierte Verfahren zur Verarbeitung. Die grundlegenden, als Urformverfahren bekannten Möglichkeiten, um Kunststoffe zu Halbzeugen oder Fertigteilen zu verarbeiten, lassen die Vielfalt an Kunststoffprodukten zu, die uns im Alltag begleiten.

Dr. Karl-Heinz Heise, Chefredakteur, Reichelt Chemietechnik / am

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