Rotational molding of polymers: Control and understanding of nano-scale structuring and reinforcement

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Klaus Hornung; Professor Dr.-Ing. Manfred H. Wagner
• Subject Area: Plastics Engineering
• Term: from 2010 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 157641829

Rotationsformen ist eine Kunststoffverarbeitungstechnologie zur Herstellung von Hohlkörpern durch Erhitzen, Aufschmelzen, und Sintern von Polymerpulvern in biaxial rotierenden Formen und anschließendem Abkühlen des Formteils. Der wirtschaftliche Vorteil des Rotationsformen liegt in den niedrigen Investitionskosten für die Formwerkzeuge. Die hauptsächlich eingesetzten Polyethylen-Pulver auf Basis LLDPE haben eine Partikelgröße von kleiner 500μm. Während des Erhitzens in der rotierenden Form sintern die Partikel zusammen und verschmelzen zu einem Formteil. Im Gegensatz zu andern Formgebungsprozessen wie Extrusion und Spritzgießen findet beim Rotationsformen der Prozess des Verschmelzens unter nahezu spannungsfreien Bedingung statt und wird im Wesentlichen durch die Oberflächenspannung bestimmt. Eines der Hauptprobleme beim Rotationsformen sind verbleibende eingeschlossene Luftblasen, die die Festigkeit des Formteils beeinträchtigen. Ein weiteres Problem ist wegen der langsamen Diffusion der langen Polymermoleküle die schwache Kohäsion entlang der Korngrenzen der verschmolzenen Partikel. Wir beabsichtigen, den Zusatz von Nanopartikel aus pyrogener Kieselsäure (“Silica“) in Konzentrationen von 100 bis 500 ppm als Additive zu LLDPE-Pulvern zu untersuchen. Silica modifiziert die Oberflächenspannung und verzögert das Verschmelzen der LLDPE-Partikel durch die Erzeugung von Nano-Porosität zwischen den Partikeln, so dass die Luft zwischen den Partikel entweichen kann. Silica mit hydrophober Oberfläche agglomeriert nicht, dadurch lässt sich eine feinere Porosität und eine Verkürzung der Sinterzeit erreichen. Die Nanopartikel verbleiben in dem Formteil und könnten zur lokalen Verstärkung an den Korngrenzen dienen. Der Zusatz von Silica verbessert außerdem die Rieselfähigkeit des PE-Pulvers. Ein weiterer Forschungsgegenstand ist die Untersuchung der Effekte, die sich durch Zusatz von Polyethlenglykol (PEG) und Mischungen von PEG und Silanen erzielen lassen. Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass PEG in Kombination mit Nanopartikeln aus Silica eine wesentliche Verminderung oder sogar Eliminierung von eingeschlossener Luft und ein beschleunigtes Verschmelzen des PE-Pulvers erwarten lassen sowie verbesserte mechanische Eigenschaften der so hergestellten Formteile.

• DFG Programme: Research Grants