In diesem Blogbeitrag beschäftigen wir uns mit dem Schmelzbruch, ein Problem mit dem die Kunststoffindustrie v.a. in Extrusionsprozessen konfrontiert ist.
Das drohende Verbot von Substanzen der PFAS-Familie umfasst auch Polytetrafluorethylen (PTFE), das wegen seiner einzigartigen Reibeigenschaft und chemischen Beständig in vielen Anwendungen zum Einsatz kommt. Industrien, die PTFE als Hilfsmittel für die Polymerverarbeitung in Produkten wie z.B. Folien, Dichtungen und Gleitlagern verwenden, müssen nach Alternativen suchen, um den neuen Marktanforderungen nach PTFE-freien Produkten gerecht zu werden.
„Bei diesem Thema muss man differenzieren. Bei aller Kritik sind viele Stoffe der PFAS Klasse auch echte Wundermittel mit Daseinsberechtigung. Wie überall im Leben gilt: Die Dosis macht das Gift. Deshalb muss man die Sache intensiv/umfassend beleuchten und sich fragen, in welchen Bereichen Fluorpolymere sinnvoll substituiert werden können.“ [Tobias Dangel]
„Im Falle von PTFE kann man sagen, immer dann, wenn PTFE als Additiv in anderen Systemen wie z.B. Kunststoffen oder auch Schmierstoffen verwendet wird um tribologische Eigenschaften oder den Verschleiß zu modifizieren und optimieren, kann Bornitrid nicht nur eine Alternative sein, sondern mit seinen weiteren Eigenschaften einen echten Mehrwert bieten als Polymer-Verarbeitungshilfsmittel und ist zusätzlich umweltschonend.“ [Michaela Schopp]
Schmelzbruch ist ein häufiges Problem in der Kunststoffverarbeitung, das zu unerwünschten Rissen und ungleichmäßigen Oberflächenstrukturen führen kann. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei hochviskosen Polymeren auf und beeinträchtigt die Qualität des Endprodukts erheblich. Die Ursache liegt in der unsteten Fließgeschwindigkeit der Schmelze, welche wiederum durch die Wandreibung bedingt wird. Beim Austreten der Polymerschmelze kommt es so zu einer rauen Oberfläche (Abb 4).
Zur Minderung von Schmelzbruch wird oft PTFE eingesetzt, das als Schmiermittel dient und nebenbei die Reibung in den Verarbeitungsmaschinen reduziert. Die Wirkungsweise des PTFE ist folgende. Aufgrund seiner Metallaffinintät wandert das PTFE an die metallische Düse und bildet dort eine sehr dünne „Gleitschicht“. Diese beeinflusst die Fließgeschwindigkeit der Schmelze, sodass die Wandreibung reduziert wird und sich die Fließgeschwindigkeiten am Rand sowie in mitten der Schmelze angleichen. 
Als Substitut für PTFE ist Bornitrid mit herausragendem Reibkoeffizient auch bei hohen Temperaturen die erste Wahl. Die Funktionsweise, wie der Schmelzbruch verhindert wird ist eine andere als beim PTFE. Während PTFE durch die Affinität zur Metalldüse die Reibung zur Schmelzfront beeinflusst, reduziert das Bornitrid die Dehnungsviskosität des Polymers. Die hexagonalen BN-Partikel stören die Vernetzungsdichte der Polymerketten, was die Anzahl der Verzahnungen/Wechselwirkung zwischen den Polymerketten reduziert.
Durch die Wechselwirkungen zwischen hBN und den Polymerketten wird die Viskosität des Polymers reduziert. Dies verringert die Dehungsspannungen, die zu Schmelzbrüchen führen können und verbessert gleichzeitig die Verarbeitbarkeit des Polymers. Bereits 100 bis max.1000ppm an hexagonalem Bornitridpulver genügen, um die genannten Effekte zu erzeugen. Hier kann unser Pulver HeBoFill® BL-SP 020 eine passende Alternative sein.
Mit hBN können im Gegensatz zu PTFE, weitere positive Effekte erzielt werden:
- Geringere Bartbildung
- Reduzierter Reinigungsbedarf der Düsen
- Erhöhte Maschinenlaufzeiten
- Niedrigere Verarbeitungstemperaturen möglich
- Aufrechterhalten von höheren Schergeschwindigkeiten
- Verlängerung der Lebensdauer von Düsen und anderer Verarbeitungskomponenten beim Extrusionsprozess
- Verringerung von Abrieb
Für die Herstellung von Verpackungen gerade im Food-Bereich, muss ein Zusatzstoff eine Lebensmittelzertifizierung aufweisen. Unsere HeBoFill Pulver sind nach der EU Richtlinie (EU) Nr. 10/2011 für die Verwendung in Materialien aus Kunststoff, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Berührung zu kommen, zugelassen. Für die Anforderung nach einer FDA Zertifizierung haben wir ebenfalls passende Pulver im Portfolio.
Fragen Sie hierzu unser Vertriebsteam.
Link zur technischen Beratung: https://www.henze-bnp.de/service/technischer-vertrieb.php
Mit der Lebensmittelzulassung von Bornitrid in Kunststoffen, kann dem Thema Schmelzbruch trotz drohendem PTFE-Verbot entgegnet werden. Also unabhängig davon wie sich die EU-Kommission entscheidet, kann an gewissen Stellen schon jetzt ein erster Beitrag für Mensch, Umwelt und Technik geleistet werden.
Quellen:
Martin Sentmanat, Savvas G. Hatzikiriakos, Mechanism of gross melt fracture elimination in the extrusion of polyethylenes in the presence of boron nitride, Springer, 2004
Igor B. Kazatchkov, Franky Yip, Savvas G. Hatzikiriakos, the effect of boron nitride on the rheology and processing of polyolefins, Springer, 2000
https://www.bn.saint-gobain.com/applications/polymer-engineering/polymer-processing-aid, aufgerufen am 21.08.2024
