17. März 2021

SKZ entwickelt neues Extrusionsverfahren

PVC-Profile mit ausgeschäumtem PS-Kern

Versuchsaufbau zum Schäumen von Polystyrol. Foto/Grafik: SKZ

Das Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg hat eine innovative Verfahrenstechnik zur Herstellung dämmender Polyvinylchlorid (PVC)-Profile mit ausgeschäumtem Polystyrol (PS)-Kern für energieeffizientes Bauen entwickelt.

Eine Voraussetzung für das Energiesparen ist eine gute Wärmedämmung des Gebäudes. Besondere Bedeutung kommt dabei den Fenstern zu, denn dort ist bei einem konventionellen Haus der Energieverlust mit bis zu einem Drittel am höchsten. Geschäumtes Polystyrol (PS) in Fensterprofilen und Fassadenelementen kann deren Wärmedämmung und damit die ökologische Effizienz verbessern. Eine simultane Extrusion von PVC-Profilen mit PS-Schaumkern ist aufgrund der unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen nicht trivial und wurde daher bisher noch nicht durchgeführt.

Spezielles Verfahren entwickelt

Aus diesem Grund beschäftigte sich das SKZ, ein Mitglied der Zuse-Gemeinschaft, mit der Verfahrensentwicklung zur Herstellung von PVC-Kunststoffprofilen mit physikalisch geschäumtem PS-Kern in einem Prozessschritt. In einem geförderten Forschungsvorhaben wurde eine Versuchsanlage für die Extrusion von ausgeschäumten, hochwärmeisolierten Fassadenelementen entwickelt und aufgebaut. Begleitend erfolgten Untersuchungen zur Verbindungstechnik sowie eine anwendungsbezogene Nachhaltigkeitsanalyse.

Die separate Betrachtung des Schäumprozesses zeigte, dass mit der eingesetzten Anlage (s. Bild), bestehend aus einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder, einer Zahnradpumpe, zwei Kühlmischern und einer Extrusionsdüse hohe Schaumgüten sowie Schaumdichten von bis zu 0,06 g/cm³ erzielt werden können. Dabei entsprach die erreichte Wärmeleitfähigkeit des Schaums von bis zu 0,0215 W/mK einem guten Wärmedämmbereich (zum Vergleich: expandiertes Polystyrol (EPS) liegt bei 0,035 bis 0,050 W/mK und Polyurethanschaum (PUR) bei 0,024 bis 0,035 W/mK [1]). Die für das Schäumen erforderlichen 80 bar Massedruck während der Profilextrusion konnten durch eine Werkzeugentlüftung und eine Dornverlängerung des Extrusionswerkzeugs erreicht werden.

Noch Optimierungspotenzial

Aufbauend auf diesen positiven Ergebnissen besteht Verbesserungspotential bei der Schaumbildung beim Ausschäumen der Profile, da beim bisherigen Werkzeugkonzept die Temperatur des Dorns nicht gezielt geregelt werden konnte. Die im Rahmen des Projekts hergestellten Profile waren somit nicht gleichmäßig ausgeschäumt. Mit der aufgebauten Anlage steht jedoch ein guter Ausgangspunkt für weitere Entwicklungsarbeiten zum Schäumen von (Fenster-)Profilen, insbesondere zur Temperaturregelung des Werkzeugdorns oder zu weiteren vielversprechenden Materialkombinationen, zur Verfügung.

Schweißfähigkeit erfolgreich getestet

Neben der Profilherstellung wurde auch das Schweißen als Nachfolgeschritt bei der Fensterherstellung zur Übertragung des Coextrusionsverfahrens in die industrielle Praxis betrachtet. Die Versuche zeigten, dass der Schaum durch die Wärmeeinwirkung des Heizelements kollabiert und sich lokal aus der Fügezone zurückzieht. Hierdurch wird verhindert, dass das Polystyrol in die lastübertragende PVC-Struktur eindringt und deren Festigkeit mindert.

Ökobilanz stimmt

Mit einer anwendungsbezogenen Nachhaltigkeitsanalyse konnte abschließend dargestellt werden, dass basierend auf den getroffenen Annahmen der Einsatz von Polystyrolschaum aus ökobilanzieller Sicht lohnend ist. Die Energieeinsparung der Nutzungsphase übersteigt die Mehraufwendungen in der Herstellung bei weitem.

Das IGF-Vorhaben 19 EWN der Forschungsvereinigung FSKZ e.V. wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Auch PVC-Schaum wird getestet

Das SKZ forscht auch zukünftig an energiesparenden Dämmlösungen. Ein geplantes Projekt wird beispielsweise das physikalische Schäumen von PVC untersuchen. Im Gegensatz zum derzeit primär angewandten chemischen Schäumen sollen hierdurch Schaumdichten von 0,1 g/cm³ erreicht werden. Somit ist der zu entwickelnde PVC-Schaum für den Einsatz als Dämmmaterial in Profilen interessant.

Die Autoren

Dipl.-Ing. Christina Hoffmann, Dipl.-Ing. Johannes Rudloff, M.Sc. Christian Eck, Dr. Eduard Kraus, Dr. Hermann Achenbach, Dr.-Ing. Marieluise Lang, Dr. Thomas Hochrein, Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian

Literatur

[1] Dr. Rüdiger Paschotta, RP-Energie-Lexikon, www.energie-lexikon.info/waermeleitfaehigkeit.html, abgerufen am 10. März 2021

Auf die Homepage des SKZ gelangen Sie über diesen Link.

 

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