Schaumstoff PP zur Verbesserung von Nachhaltigkeit und Kosten

PP-Schäume halten Einzug in die Automobil- und Verpackungsindustrie, um Leichtbau und Nachhaltigkeit zu verbessern. (Foto:Avient)

Das Schäumen von Polypropylen hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen, beginnend mit extrudiertem PP-Schaum und zunehmend durch Spritz- und Blasschaum. Führende Märkte sind Automobil und Verpackung, gefolgt von Bau und Bau, Konsumgütern und Industriegütern. Das Kosten-Leistungs-Verhältnis ist ein wichtiger Anreiz, insbesondere in den letzten Jahren, in denen die inländischen PP-Preise aufgrund von Angebotsbeschränkungen und einer starken Nachfrage die Weltpreise überstiegen haben. Ein wichtiger Faktor für die gestiegene Nachfrage nach geschäumtem PP ist jedoch die Erfüllung von Nachhaltigkeitsinitiativen und -vorgaben, indem einfach weniger Harz verwendet wird und eine Alternative zu PS und EPS bereitgestellt wird, die manchmal als weniger „umweltfreundlich“ wahrgenommen werden.

Der Leichtbau in der Automobilindustrie gewinnt mit dem Fokus der Branche auf Elektrofahrzeuge (EVs) noch weiter an Bedeutung und wird voraussichtlich zum Wachstum von geschäumtem PP beitragen. Dito für Verpackungen, angetrieben von Nachhaltigkeitsinitiativen. Die Wachstumsaussichten von Schaum werden durch die jüngsten technologischen Fortschritte beim physikalischen und chemischen Schäumen ermöglicht – und manchmal auch durch eine Kombination aus beidem. Trexel zum Beispiel, ein führendes Unternehmen im Bereich des physikalischen Schaumformens mit seinem MuCell-Direktgaseinspritzverfahren, hat seine Technologie in den letzten drei Jahren weiter verbessert, die das Dünnwandformen auf ein bisher nicht mögliches Niveau ermöglicht.

Ebenso gehören iD Additives, Avient und Trexel zu den Anbietern von chemischen Schaumbildnern (CFA), die Formulierungen eingeführt haben, die mikrozellulare Schäume mit sehr kleiner Zellgröße, gleichmäßiger Verteilung und hervorragender Ästhetik produzieren. Darüber hinaus haben PP-Harzanbieter wie SABIC und Asahi Kasei Plastics Typen mit hervorragender Schmelzfestigkeit speziell für extrudierte oder geformte PP-Schaumstrukturen sowie speziell für das Schäumen geeignete verstärkte Spezialcompounds eingeführt. Quellen bei einem anderen führenden PP-Harzanbieter, Borealis, stellten fest, dass das Unternehmen sich verpflichtet hat, die weitere Entwicklung des extrudierten Schaummarktes durch seine Daploy (High Melt Strength) HMS-PP-Produkte und durch das Angebot von PP-Schaumlösungen zu unterstützen. Das Unternehmen war ein Pionier bei der kommerziellen Umsetzung von hochschmelzfestem PP, das speziell auf die Entwicklung des PP-Schaummarkts ausgerichtet war.

Laut einer Studie des Marktforschungsunternehmens Markets &Markets aus dem Jahr 2018 wird der weltweite Markt für extrudierte PP-Schaumstoffe bis 2023 jährlich um fast 7 % wachsen. Quellen aus dem globalen Foam &Lightweight-Geschäft von SABIC stellten fest, dass ihr ultraschmelzfestes PP entwickelt wurde, um die Extrusion zu unterstützen in der Automobil-, Bau- und Verpackungsindustrie, sehen jedoch Chancen in neuen Spritzguss- und Blasformanwendungen, bei denen geringes Gewicht und Nachhaltigkeit unabdingbar sind.

„Auch neue Verpackungsgesetze sind ein wichtiger Wachstumstreiber, um aktuelle Lösungen durch Schaumstoffe auf PP-Basis zu ersetzen“, bemerkt eine Quelle. Craig Sibol, Produktmanager für das Additivgeschäft von Avient, sagt, dass sein Unternehmen ein Wachstum von Schaum-PP im niedrigen zweistelligen Bereich sieht, jedoch hauptsächlich im Spritzguss. „PP-Lieferprobleme haben geschäumte Extrusionsanwendungen in Sektoren wie dem Bauwesen stärker beeinträchtigt, sodass das Wachstum dort eingeschränkt ist.“

Todd Gloovsky, geschäftsführender v.p. für Vertrieb und Technologie bei Asahi Kasei Plastics North America, formuliert es so:„Schäumen und Dünnwanden werden kontinuierlich evaluiert, um Kosten, Gewicht und Effizienz des Produktionszyklus zu verbessern. Kunden werden immer alle Optionen zur Gewichtsreduzierung bewerten. Leichtbauoptionen werden ständig gegeneinander geprüft und die Option mit den größten Auswirkungen auf Kosteneinsparungen und Leistungssteigerungen wird ausgewählt.“

Nick Sotos, Präsident von iD Additives, bemerkt:„Als die PP-Preise in diesem Jahr in die Höhe schossen, erhielten wir Anfragen nach Mustern unserer Schaummittel. Es gab so viele Aktivitäten, dass wir beschlossen, einen Zoom-Chat namens „Foam It or Fill It“ durchzuführen, um die Leute über Möglichkeiten zu informieren, die steigenden Harzkosten zu senken. Das geht zurück auf die Zeit, als ich iD Additives gründete und Ron Bishop anstellte, der mir sagte, dass es zwei Möglichkeiten gibt, Kosten zu senken:‚Sie können es aufschäumen oder füllen.‘“

Brian Bechard, President von Trexel, kommentiert, dass sein Unternehmen noch keine signifikanten Beweise dafür gesehen hat, dass steigende PP-Preise die Spritzgießer zum Schäumen führen, da es bei MuCell und in geringerem Maße bei CFA viel Zeit und Engagement erfordert, um einen kommerziellen Erfolg bei der Herstellung eines geschäumten Teils zu erzielen . „Vollgeformte Teile müssen beim Schäumen neu qualifiziert werden. Dies erfordert oft eine gewisse Anpassung des Teiledesigns, um die physikalischen Eigenschaften zu erhalten, um die Anforderungen zu erfüllen“, sagt Bechard. „Bei MuCell gibt es auch die Beschaffung oder Modifikation von Geräten. Dies sind in der Regel nicht die offensichtlichen Lösungen für kurzfristige Harzpreisschwankungen. Wenn die Harzpreise jetzt steigen und der allgemeine Konsens darin besteht, dass sie weiter steigen, wird die Wirtschaftlichkeit des Schäumens attraktiver, und dies wird natürlich mehr Kunden zu uns bringen.“

Der von SPE Automotive preisgekrönte Instrumententafelträger wurde mit Langglas-Stamax PP von SABIC und einem Schäumverfahren mit Core-Back-Technologie hergestellt, um das Gewicht um 15 % zu senken.

Trends in der Automobilindustrie

Quellen aus dem globalen Automobilgeschäft von SABIC weisen darauf hin, dass geschäumte PP-Compounds in der Automobilindustrie seit fast zwei Jahrzehnten zur Reduzierung des Teilegewichts verwendet werden, sowohl durch das Schäumen selbst als auch durch die Möglichkeit, dünnere Teile herzustellen. Als aktiver Akteur in diesem Bereich hat SABIC 2017 einen SPE Automotive Innovation Award für den Instrumententafelträger (IP) des Mini Countryman 2017 gewonnen, bei dem SABICs Langglas-Stamax PP-Compound und ein Schäumverfahren mit Core-Back-Technologie zum Einsatz kamen Gewichtsreduzierung um etwa 15 % gegenüber dem ungeschäumten Teil.

Aber bis vor kurzem waren geschäumte PP-Anwendungen aufgrund der schlechten Oberflächenqualität hauptsächlich auf strukturelle, nicht sichtbare Anwendungen beschränkt, so das SABIC-Team. Die Nachfrage nach leichten, ästhetischen Interieurteilen sowie das starke Interesse an der Reduzierung von Zykluszeiten, Materialeinsatz und Kosten führten zu Bemühungen, PP-Schaumstoffe der nächsten Generation mit einer höherwertigen Oberfläche zu entwickeln. Leichtbau bei ästhetischen Fahrzeuginnenraumkomponenten ist Teil des Megatrends zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen.

Eine Quelle von SABIC Automotive sagte:„Der starke Anstieg der Elektrofahrzeugproduktion trägt zu diesem Trend bei, da das Gewicht von Elektrofahrzeugen an Effizienz und Reichweite gebunden ist. Geschäumte PP-Compounds können einen wichtigen Beitrag leisten und zu 8 bis 10 % leichteren Anwendungen mit geringerer Dichte beitragen. Darüber hinaus kann der höhere Fluss von geschäumtem PP dünnere Teile und eine größere Designfreiheit ermöglichen, was das Gewicht noch weiter senken kann.“ SABIC schätzt, dass diese Faktoren zusammengenommen das Potenzial haben, das Teilegewicht um 20 bis 25 % im Vergleich zu einem nicht geschäumten Teil zu reduzieren.

In den letzten Jahren hat sich SABIC auf die Herstellung eines Portfolios an schäumbaren PP-Compounds konzentriert, die zu Gewichtseinsparungen beitragen und gleichzeitig eine hervorragende Oberflächenästhetik bieten. Eine wesentliche Verbesserung ist die Minimierung von Oberflächenschlieren und -fehlern und eine zweite die mögliche Vermeidung von Einfallstellen auch bei dünnwandigen Teilen. Typischerweise werden Innenteile mit bis zu 3 mm dicken Wänden entworfen, nicht aus strukturellen oder steifen Gründen, sondern weil dickere Wände die Wahrscheinlichkeit von Einsinkungen verringern. Das Aufschäumen erzeugt einen ausreichenden Innendruck im Formteil, um übermäßige Schrumpfung auszugleichen und Einfallstellen zu reduzieren. Laut dem Team von SABIC Automotive sind optimierte Konstruktion und Verarbeitung der Schlüssel zur Ausschöpfung des vollen Wertes von PP-Schaumstoffen, einschließlich maximaler Gewichtsreduzierung. Ihr nächster Schritt besteht darin, die Ästhetik der Technologie für den Einsatz in Außenanwendungen weiter zu verbessern.

Nach umfangreicher Branchenerfahrung mit dem MuCell-Schäumen von gefülltem PP für Automobilteile wie IPs, Türverkleidungen und Motorhaubengehäuse/-abdeckungen, sagt Bechard von Trexel, dass es jetzt vermehrt Aktivitäten beim Schäumen von ungefülltem gibt PP für Automobil und Verpackung. Sichtbare Automobilteile im Innenraum sind ein Markt, auf dem TecoCell CFA von Trexel für die Herstellung hervorragender Oberflächen durch chemisches Schäumen ausgezeichnet wurde. „Wir haben mehrere sichtbare Autoinnenteile der Klasse A, die bald mit TecoCell kommerziell erhältlich sein werden, da dieser CFA in seiner Fähigkeit, eine Oberflächengüte der Klasse A bereitzustellen, einzigartig ist.“

Obwohl geschäumtes PP hauptsächlich in nicht zur Klasse A gehörenden, nicht strukturellen Bereichen wie Komponenten im Motorraum wie Batterieböden und -abdeckungen verwendet wurde, strebt Glogovsky laut Asahi Kasei Plastics eine Expansion in semistrukturelle Anwendungen an. Ein mögliches zukünftiges Beispiel dafür sind Bodenkonsolen, bemerkt er. Einige bestehende Anwendungen umfassen Kartentaschen, Dachhimmel und einige untere Innenverkleidungsteile.“

Quellen bei Borealis weisen darauf hin, dass die gesamte Palette von Daploy HMS-PP langkettig verzweigte Materialien sind, die eine hohe Schmelzfestigkeit und Dehnbarkeit in der Schmelzphase vereinen. Darüber hinaus können diese Materialien mit allen gängigen PP-Extrusionsqualitäten und anderen polyolefinbasierten Materialien gemischt werden. Als solche bieten sie die Möglichkeit, die Schaumeigenschaften weitestgehend auf die besonderen Anforderungen von Endanwendungen in der Automobilindustrie sowie Verpackung und Bauwesen abzustimmen.

Sibol von Avient stellt fest, dass das Automobilpotenzial für PP-Schaum aufgrund des Fokus auf Leichtbau weiterhin groß ist, und noch mehr, da CAFE-Standards auf der Tagesordnung der aktuellen US-Regierung stehen. Auch die Transportsegmente jenseits der Automobilindustrie verzeichnen ein gutes Wachstum. Die meisten Anwendungen von geschäumtem PP, auf die sich Avient konzentriert hat, liegen im Spritzguss, wie zum Beispiel bei großen Automobilkomponenten und bestimmten Verpackungsanwendungen. Dennoch werden seine CFAs sowohl als Leichtbaumittel beim Spritzgießen als auch als Nukleierungsmittel bei der Extrusion mit direkter Gaseinspritzung verwendet, um eine feinere Schaumstruktur zu erzeugen.

Trexels zweites Wachstumsziel für ungefülltes PP sind dünnwandige Verpackungsanwendungen, da MuCell die Fähigkeit des Materials verbessert, frei zu fließen und dünnere Teile zu füllen, die auf einer Presse gleicher Größe geformt werden.

Wachstum bei Verpackungen

Trexels zweites Wachstumsziel für unbesetzte PP ist dünnwandige Verpackungsanwendungen wie Behälter, Becher, Schüsseln, Deckel und Ausgießer. Bechard sagt:„Mit MuCell verbessern wir die Fließfähigkeit des Materials, wodurch dünnere Teile auf Geräten gleicher Größe geformt werden können. Wir arbeiten eng mit mehreren Markeninhabern und großen Verpackungsherstellern zusammen, um kommerzielle Produkte mit dieser Technologie auf den Markt zu bringen.“ Er stellte fest, dass der chinesische Spritzgießmaschinenbauer Yizumi (Muttergesellschaft von Yizumi HPM in den USA) spätestens bei Chinaplas MuCell verwendet hat, um eine Schüssel zu formen, die eine Gewichtsreduzierung um 5 %, einen um 15 % niedrigeren Einspritzdruck und eine 20-prozentige Reduzierung der Schließkraft erreicht .fester Formkörper. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der letzten K-Show mit einem Butterbehälter erzielt.

Quellen im Foam &Lightweight-Geschäft von SABIC sehen eine steigende Nachfrage nach geschäumtem PP in E-Commerce-Mehrwegkartons und -paletten, Lebensmittelverpackungen und Schutzverpackungen. Ende 2017 hat SABIC sein PP-UMS-Material (ultra-melt-strength) auf den Markt gebracht. „Die Entwicklung des Marktes und der Anwendungen braucht Zeit. Vor allem in der Schaumindustrie, die recht konservativ sein kann. Seitdem findet ein Wachstum statt, aber es wurde 2020 definitiv verstärkt und setzt sich auch 2021 fort.“

Sotos von iD Additives sagt, dass ein großer Markt für geschäumtes PP für sein Unternehmen Industrieverpackungen wie Gaylords und Paletten waren

Glogovsky von Asahi Kasei sieht Potenzial für eine Expansion in den Verpackungsmarkt, insbesondere für Stauholz aufgrund seiner dicken Wände, die Raum für eine Verbesserung der Zykluszeit lassen. „Bei Teilen mit dicken Profilen ist der Formprozess aufgrund der Abkühlzeit, die zum Abführen der Wärme erforderlich ist, sehr lang. Beim Aufschäumen verkürzt sich die Abkühlzeit, da die Materialmasse reduziert wird. Dadurch könnten 5 bis 35 % der Zykluszeit eingespart werden.“

Borealis-Quellen weisen darauf hin, dass Daploy HMS-PP-Harze und ihre Mischungen nicht vernetzt sind. Dies bedeutet, dass die resultierenden extrudierten PP-Schäume vollständig recycelbar sind, ein zunehmend wichtiger Faktor im Verpackungs- und anderen Industriesegment der Kunststoffindustrie.

Ron Bishop (r.) von iD Additives und ein Spritzgusstechniker untersuchen Schaum, der mit neuem Micro Fine Cell CFA hergestellt wurde.

Gebäude/Bau und andere Anwendungen

Sotos sieht Kunststoffhölzer als naheliegenden Kandidaten für PP-Schaum, aber seine Firma hat auch einige Arbeiten an Teilen für Dächer und andere verwandte Anwendungen wie Werkzeugkästen und Bauebenen durchgeführt.

Strukturschäume und vorgefertigte Bauteile wie Isolierungen für Häuser, Rohre und Bodenunterlagen sind Anwendungen, die das Foam &Lightweight-Team von SABIC verfolgt. Glogovsky von Asahi Kasei sieht das Leichtgewicht nicht als entscheidenden Faktor in diesem Markt, außer da es sich auf die Versandkosten auswirkt. „Wenn die Anwendungen auf den Bau- und Baumarkt ausgeweitet werden, wird dies höchstwahrscheinlich in einer Kostensenkung aufgrund eines geringeren Materialeinsatzes und einer geringeren Zykluszeit begründet.“

Glogovsky sieht unterdessen von Fall zu Fall Verbraucher- und Gesundheitsanwendungen als Möglichkeiten für Schaum-PP, abhängig von der Möglichkeit einer Verbesserung der Zykluszeit. Bechard stellt fest, dass Trexel mit einem großen Hersteller von Haushaltsprodukten zusammenarbeitet, der den Einsatz von TecoCell CFA des Unternehmens untersucht, um die Kosten und den Harzverbrauch in seiner Produktlinie zu senken. Und ID Additives hat mit einer Reihe von Unternehmen an Konsumgütern wie Kleiderbügeln aus geschäumtem PP-Kunststoff zusammengearbeitet. Und Nischenanwendungen wie Schuhe werden vom Foam &Lightweight-Team von SABIC genannt.

Asahi Kaseis Thermylene-Kurzglas-verstärktes, chemisch gekoppeltes PP wurde in geschäumten Schiebedachmodulen verwendet, um ungeschäumtes Langglas/PP zu ersetzen. (Foto:SPE Automotive)verstärktes PP.

Neueste Fortschritte

Das Automobilteam von SABIC wird bis Anfang 2022 ein neues Portfolio von geschäumten PP-Compounds für ästhetische Anwendungen im Autoinnenraum auf den Markt bringen. Drei erste Compounds sollen eine verbesserte Oberflächengüte für solche Teile demonstrieren.

Asahi Kasei hat Materialien zum Schäumen entwickelt, die eine verbesserte Kosmetik und ein leichtes Gewicht bieten. Zu diesen Technologien gehört Thermylene-Kurzglas-verstärktes, chemisch gekoppeltes PP, das in geschäumten Schiebedachmodulen verwendet wurde, wo es teureres ungeschäumtes Langglas-PP ersetzen konnte und für gute Kosmetik angepriesen wird.

Sotos von iD Additives sagt, dass die Einführung seiner Micro Fine Cell CFAs für das Unternehmen ein entscheidender Faktor war, da es ihm ermöglicht hat, auf dünnwandigere Anwendungen abzuzielen.

In ähnlicher Weise hat Trexel auf der NPE2018 das Gassystem der MuCell P-Serie vorgestellt, das speziell für dünnwandige Verpackungslösungen mit schnellen Zyklen entwickelt wurde. „Seitdem haben wir unsere Flexibilität bei der Umsetzung von MuCell stark erhöht, indem wir die Schneckendosierung anbieten, bei der wir die Gaseinleitung und -mischung in einem kürzeren Bereich bewerkstelligen, was es uns ermöglicht, Standardschnecken mit einer speziellen Schneckenspitze für Gas dosieren. Dies ist besonders wichtig für Verpackungsanwendungen, bei denen die Leistung im Vordergrund steht, da diese Konstruktion die Plastifizierleistung nicht wie unser herkömmliches Schneckendesign einschränkt.“

Trexel hat seine satellitengestützten Dosiereinheiten vor kurzem auch um eine kostengünstige, leistungsstarke Produktlinie von zentralen Gasboostern ergänzt, die Spritzgießern, die mehrere Maschinen mit MuCell betreiben, eine flexible und kostengünstige Implementierungsoption bietet.

Laut Sibol kann Avients erweitertes Portfolio an flüssigen und festen CFAs sowie die Testunterstützung Kunden helfen, die die Grenzen des Leichtbaus überschreiten und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften, insbesondere für technische Teile, beibehalten möchten. „Kleinere Zellgröße und die Möglichkeit, die Ästhetik der Oberfläche zu manipulieren, sind wichtig, aber wir sind auch in der Lage, Oberflächeneigenschaften zu manipulieren. Wir haben eine Technologie entwickelt, die Lack- und/oder Abziehbilder ohne Korona oder andere Oberflächenbehandlung ermöglicht. Kundenstudien zeigen, dass wir auch die Effizienz steigern können. Manchmal ist beispielsweise flüssiges CFA, das in die Presse gepumpt wird, aufgrund der Betriebsabläufe und Investitionen, die für die Implementierung von festen CFAs erforderlich wären, sinnvoller.“

Das Foam &Lightweight-Team von SABIC wirbt für sein PP-UMS als hochschmelzfestes schäumbares PP der nächsten Generation. Mit einer Schmelzefestigkeit von mehr als 65 cN bewirkt es nachweislich eine gute Schäumbarkeit, insbesondere wenn hohe Expansionsraten gefordert sind. Es wird kommerziell in den Bereichen Automobil, Verpackung (einschließlich Lebensmittelbehälter als Alternative zu EPS) und Bauwesen eingesetzt.

PP-UMS von SABIC kann geschäumte Lebensmittelbehälter herstellen, die EPS ersetzen können.