Entwicklung und Generierung von faserverstärkten Formmassen auf der Basis eines neuartigen Melaminetherharzes

Die vorliegende Dissertation enstand am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart in den Jahren 2002 bis 2006. Melaminharze und ihre Formmassen sind seit langem eingeführte Materialien, die sich durch eine hohe Oberflächenhärte, einen charakteristischen Oberflächenglanz sowie eine uneingeschränkte Einfärbbarkeit auszeichnen. Die derzeit am Markt erhältlichen Formmassen basieren auf unveretherten oder partiell veretherten Melamin-Formaldehyd-Harzen, die den Nachteil einer erhöhten Formaldehydfreisetzung haben. Der Einsatz neuartiger nahezu vollständig veretherter Melaminfestharze führt zu einer signifikanten Reduktion der Formaldehydfreisetzung. Darüber hinaus weisen die verwendeten Melaminetherharze einen Temperaturbereich auf, in dem sie aufgrund einer reduzierten Reaktivität thermoplastisch verarbeitbar sind. Das Eigenschaftsprofil der Melaminetherharze erlaubt es, im Gegensatz zu Standard-Formaldehyd-Harzen, einen gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder zur Generierung härtbarer Formmassen einzusetzen. Die modular aufgebauten Schnecken und Zylindergehäuse sowie die variablen Düsengeometrien dieses Aufbereitungsaggregates bilden wichtige Instrumente, um qualitativ hochwertige Formmassen mit komplexen Formulierungen in einem Prozessschritt effizient aufzubereiten. Der gleichsinnig drehende Doppelschneckenextruder ist als Mischaggregat sowohl für die Aufbereitung von mineralischen als auch naturfaserverstärkten Melaminharzformmassen geeignet. Die wichtigsten Maßnahmen zur schonenden Filamentisierung von Naturfaserbündeln oder Glasfasern und einer hinreichend homogenen Inkorporierung von anderen Komponenten, wie beispielsweise Adsorbentien, Füllstoffen und Katalysatoren, umfassen die Entwicklung einer optimierten Schneckengeometrie, die Durchführung einer geeigneten Fasermodifizierung und -präparation sowie den gezielten Einsatz von Prozessadditiven. Die Auslegung des Aufbereitungsprozesses erfolgt in enger Abstimmung mit den spezifischen rheologischen und kinetischen Eigenschaften der gefüllten Melaminetherharze. Zu den Besonderheiten im Fließverhalten von hochgefüllten Melaminharzformmassen zählt das ausgeprägte Wandgleitverhalten bei kleinen und mittleren Schergeschwindigkeiten. Als dominierende Einflussfaktoren auf die Reaktionskinetik haben sich der pH-Wert der Formmasse sowie die Entstehung von Reibungswärme bei der Inkorporierung sehr feinteiliger Füllstoffpartikel erwiesen. Naturfasern führen zu einer Absenkung des pH-Wertes in der Formmasse und wirken demzufolge als Katalysator. Die Minimierung der Verweilzeit von katalytisch wirkenden Formmassekomponenten im Extruder sowie eine Anpassung der Formulierung der Formmasse an die Verarbeitungsbedingungen sind wesentliche Voraussetzungen zur Erzielung einer hinreichenden Prozessstabilität und zur Vermeidung vorzeitiger Härtungsreaktionen im Extruder. Im Falle der Naturfasern kann die katalytische Wirkung durch eine Fasermodifizierung mit den Säurefängern Triisopropanolamin oder Borax abgeschwächt und damit gleichzeitig eine verbesserte Faserdispergierbarkeit bewirkt werden. Die optimale Verarbeitungsmethode hängt von den Eigenschaften der jeweiligen Formmasse ab. Zur Ausformung der erzeugten Melaminharzformmassen zu technischen Bauteilen bietet sich aufgrund des kinetischen Eigenschaftsprofils das Kompressionsformverfahren an. Mit einer auf Zeolith und Glasfasern basierende Melaminharzformmasse ist zudem eine geeignete Formulierung gefunden, die sich für eine automatisierte Spritzgießverarbeitung eignet.