Wechselwirkung von Polycarbonat-Schmelze mit Werkzeug-Oberflächen als Ursache der Belagbildung in Kunststoffverarbeitungsmaschinen

Sonnenberg, Maria GND

Während der Verarbeitung von Kunststoffen kommt es häufig zu Produktionsausfällen und Qualitätsbeeinträchtigungen auf Grund von Belag- und Stippenbildung. Als Stippe wird aneinander haftendes, degradiertes Kunststoffmaterial bezeichnet, welches als Feststoff in der Schmelze verbleibt. Dabei entstehen Stippen aus Belägen, welche sich auf der Extruderwand- oder Werkzeugoberfläche aus der Kunststoffschmelze heraus ablagern. Besonders kritisch ist die Bildung von Belägen bei der Produktion von hochwertigen Formteilen mit einer hohen Anforderung an optischer Transparenz oder hoch glänzenden Oberflächen. Im industriellen Prozess wird versucht die Stippenbildung mit Hilfe von “trial-and-error“-Verfahren zu minimieren. Außerdem werden Beschichtungen zum Schutz der Stahloberfläche und zur Minimierung der Anhaftung eingesetzt. Trotz der genannten Maßnahmen gibt es wenige grundlegende Erkenntnisse zum Belagbildungs-Prozess, beziehungsweise keine einheitlichen Lösungsansätze zur Vermeidung der Belag- und Stippenbildung. In der vorliegenden Dissertation wurden die Mechanismen der Belag- und der Stippenbildung am Beispiel von Polycarbonat grundlegend untersucht. Neben den topografischen Einflüssen (Kavitäten und Rauheit) wurde mit Hilfe oberflächensensitiver Messmethoden die Wechselwirkungen zwischen der metallischen Oberfläche und dem Polymer analysiert. Ergänzend zu den analytischen Untersuchungen wurden sowohl Laborversuche (Synthesen) als auch Extrusionsversuch im Labormaßstab durchgeführt. Dabei konnte die Diffusion von Metallionen (Eisen- und Chromionen) in die Kunststoffschmelze nachgewiesen werden. Eine anschließende Wechselwirkung zwischen Polymer und Metallionen wurde ebenfalls untersucht. Eine Wechselwirkung der diffundierten Eisenionen mit den freien π-Elektronenpaaren der aromatischen Ringe des Polycarbonats wird hier vermutet, ebenso wie die Bildung einer Eisen-Carbonyl-Verbindung. Die mögliche Degradation von Polycarbonat in Kunststoffverarbeitungsmaschinen wurde gezielt mit Hilfe eines Miniextruders und Degradationsexperimenten analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Temperatur im Vergleich zur Verweilzeit und Drehzahl den größten Einfluss auf die Degradation hat. Abschließend wurde ein möglicher Mechanismus sowie eine Anforderungsliste zur Vermeidung bzw. Verminderung der Belagbildung formuliert.

During the processing of plastics, the formation of deposits at the interface is a major challenge. These deposits will detach during production and lead to quality restrictions mostly as spots in the products. Deposit formation is critical in the production of high-quality molded components with a high requirement for optical transparency. In the industrial process, a trial-and-error process is used to minimize the formation of deposit. Coatings are also used to protect the steel surface and minimize adhesion. Up to now, there is no clearly identified mechanism of deposit formation or a consistent solution to avoid the formation of deposit and plate-out. In this dissertation, the mechanisms of deposit formation was fundamentally investigated using polycarbonate. In addition to the topographic influences (cavities and roughness), the interactions between the metal surface and the polymer were analyzed using spectroscopic methods. Supplemental to the analytical investigations, experiments in the laboratory (syntheses) and extrusion tests were carried out. The diffusion of metal ions (iron and chromium ions) into the polymer melt was detected. An interaction between polymer and metal ions was also investigated. The diffused iron ions were interacting with the free π electron pairs of the aromatic rings of the polycarbonate. In addition the formation of an iron-carbonyl compound is assumed. The possible degradation of polycarbonate in plastics processing machines was analyzed using a mini-extrusion machine. It was shown that temperature has the highest influence on degradation compared to dwell time and rotation velocity. Finally, a possible mechanism was formulated including proposals to avoid the formation of deposit.

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Sonnenberg, Maria: Wechselwirkung von Polycarbonat-Schmelze mit Werkzeug-Oberflächen als Ursache der Belagbildung in Kunststoffverarbeitungsmaschinen. 2019.

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