Modifikatoren für Wood Plastic Composites (WPC)

Substance for Success.
Anwendungsinformation TP-A 1
Modifikatoren für
Wood Plastic Composites (WPC)
Anwendungsinformation TP-A 1
Grundlagen
Wood Plastic Composites (WPC)
gehören zur Gruppe der naturfaserverstärkten Compounds und in diesem
Werkstoff kommen Holzfasern (oder
Holzmehl) als verstärkender Füllstoff mit
einem üblichen Anteil von 50–80 %
zum Einsatz. Es sind eine Reihe an
weiteren Naturfasern für vergleichbare Anwendungen möglich, z.B. Hanf,
Flachs, Sisal und Kokosnussfasern.
Volumenmäßig am häufigsten werden
aber Holzfasern verwendet. Als Bindemittel für die Fasern kommen polymere
Werkstoffe wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und PVC zum Einsatz.
Vorteile
In der Herstellung sind WPC-Produkte
in der Regel teurer als konventionelle
Holzwerkstoffe, haben aber eine Reihe
von Vorteilen. Neben einer deutlich
einfacheren und vielfältigeren Formgebung sind sie aufgrund ihrer besseren
Witterungsbeständigkeit deutlich länger haltbar. Im Vergleich zu Produkten
aus reinen Kunststoffen sind WPC
wegen des hohen Holzanteils sowohl
preislich als auch technisch deutlich
günstiger. Häufig werden sie aufgrund
ihrer Langlebigkeit zum Ersatz von
Tropenhölzern verwendet und helfen
beim Erhalt der ökologisch so wichtigen
Tropenwälder.
Anwendungen
Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe
finden überall dort Anwendung, wo
klassischerweise bisher Holz zum
Einsatz kommt. Zu allererst ist hier
die Anwendung als Bodenbelag
(decking) im Innen- und hauptsächlich
Außenbereich zu nennen. Aber auch für
Geländer (railing), Sichtschutzwände,
Fassadenverkleidung, Möbel und vieles
mehr finden WPC ihren Einsatz.
Herstellung
Mengenmäßig am weitesten verbreitet
sind WPC-Profile, die in einem einoder zweistufigen Extrusionsverfahren
hergestellt werden (Abbildung 1).
Einstufen-Extrusion: Hierbei handelt es sich um einen sogenannten
Direktextrusionsprozeß. Bei diesem
Verfahren erfolgt die Mischung der
Holzfasern mit dem Kunststoffgranulat
(Compoundierung) und die Extrusion
des Profils in einem Schritt. Hierzu werden in der Regel konische, gegenläufige
Doppelschneckenextruder eingesetzt,
die zum einen in der Lage sind Holz
und Kunststoff intensiv zu vermengen und zum anderen den erforderlichen Druckaufbau zur Extrusion des
gewünschten Profils ermöglichen.
Zweistufen-Extrusion: Hier erfolgen die Compoundierung und die
Extrusion der Profile in zwei separaten Prozessen. Zur Herstellung des
Compounds kann bei diesem Verfahren
mit unterschiedlichen Extruder-Typen
gearbeitet werden. Am häufigsten
kommen hier gleichlaufende, parallele
Doppelschneckenextruder zum Einsatz.
Aber auch Planetwalzenextruder für die
besonders schonende Herstellung von
hochgefüllten Compounds und HeizKühl-Mischer Kombinationen finden
Verwendung. Weitere Mischverfahren
sind Pelletierpressen und spezielle
Mahlverfahren bei denen das Holz
und der Kunststoff im Bereich der
Schmelzetemperatur der Kunststoffe
vermahlen werden. Die Herstellung
des Profils findet dann anschließend in
der Regel auf Einschneckenextrudern
statt.
Wenn ein WPC nach dem oben bei
der Zweistufen-Extrusion beschriebenen Compoundierverfahren hergestellt
wurde, muss es anschließend nicht
notwendigerweise extrudiert werden,
sondern kann auch auf andere Weise
weiterverarbeitet werden. Hier ist insbesondere der Spritzguss zu nennen,
eine Technik, mit der sich auch komplexe Formen herstellen lassen. Weitere
Möglichkeiten sind Rotationsguss und
Plattenpressenverfahren; prinzipiell sind
die WPC Compounds nach nahezu allen
herkömmlichen Verarbeitungsverfahren
der Kunststofftechnik verarbeitbar.
Limitierender Faktor ist zumeist das
Fließverhalten und dies ist maßgeblich
abhängig vom Holzfüllgrad.
WPC Herstellung
Kunststoffgranulat
Naturfasern
WPC
Einstufen-Extrusion
Compoundierung & Extrusion
Profile
Zweistufen-Extrusion
Compoundierung
Extrusion
Spritzguss
Rotationsguss
Plattenpressen
Andere
Formen
Abbildung 1
2
Anwendungsinformation TP-A 1
SCONA Modifikatoren in WPC
Außerdem werden die Belastbarkeit
bei höheren Temperaturen und die
Oberflächengüte erhöht. Die SCONA
Modifikatoren verringern auch die
Wasseraufnahme deutlich, was zu einer
besseren Dimensionsstabilität führt. Für
Anwendungen im Außenbereich wie
z.B. Terrassendielen ist dies von großer
Bedeutung.
Chemie der Modifikatoren
Bei den SCONA Modifikatoren handelt es sich immer um unpolare Basispolymere, die mit unterschiedlichen
Monomeren in einem Grafting-Prozess
(Pfropfung) funktionalisiert werden
(Abbildung 4). Die Modifikatoren
zum Einsatz in WPC sind mit Maleinsärueanhydrid modifiziertes Polypropylen und Polyethylen.
Alle SCONA Produkte werden nach
einem patentierten Verfahren in der
Festphase gepfropft, während sonst
üblicherweise die Umsetzung der
Polymere mit den Pfropfmonomeren
in der Schmelze durchgeführt wird.
Durch das Festphasen-Grafting lassen
sich höhere Funktionalisierungsgrade
120
100
E-Modul
3.000
80
2.000
60
40
1.000
0
Charpy Schlagzähigkeit
0
10
20
30
40
50
20
60
70
0
Charpy Schlagzähigkeit (kJ/m2)
E-Modul (MPa)
4.000
Holzgehalt (Gew. %)
Abbildung 2
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Koppler
70
60
50
40
30
20
10
0
40
50
60
Charpy Schlagzähigkeit (kJ/m2)
Durch den Einsatz von SCONA
Kopplern, die den Verbund der
Holzfasern mit der Polymermatrix
deutlich erhöhen, lassen sich auch
die mechanischen Eigenschaften wie
Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit
des Verbundwerkstoffes ganz erheblich verbessern (Abbildung 3).
Einfluss des Holzgehaltes auf die mechanischen Eigenschaften eines WPC
Biegefestigkeit (MPa)
Die Abhängigkeit der mechanischen
Eigenschaften eines mit Holzmehl
gefüllten WPC auf Basis von Polypropylen ist in Abbildung 2 am
Beispiel des E-Moduls und der Charpy
Schlagzähigkeit dargestellt. Mit steigendem Gehalt an Holzfasern nimmt
das E-Modul zu und die Schlagzähigkeit
ab. Die Erhöhung des E-Moduls ist
gewünscht, aber die Reduzierung der
Schlagzähigkeit natürlich nicht.
Holzgehalt (Gew. %)
X Ohne Koppler
14
12
10
8
6
4
2
0
40
50
60
Holzgehalt (Gew. %)
X Mit Koppler
Abbildung 3
Chemie der SCONA Koppler für WPC
Basispolymer
PP oder PE
MSA
St
MSA
MSA
MSA = Maleinsäurenhydrid
MSA
St
= Styrol
Abbildung 4
3
Anwendungsinformation TP-A 1
Kombiniertes Festphasen-/Schmelze-Grafting
MFR (190 °C, 2,16 kg) (g / 10 min.)
erreichen, was zu niedrigeren Einsatzmengen des Modifikators im Compound führt. Der Gehalt an flüchtigen
organischen Verbindungen (VOC)
ist bei nach diesem Verfahren hergestellten Produkten äußerst niedrig.
Außerdem wird durch die niedrigere
Prozesstemperatur das Basispolymer
weniger geschädigt und das somit
höhere Molekulargewicht macht sich
in besseren mechanischen Kennwerten
des Compounds bemerkbar.
Einstufiges
Festphasen-Grafting
50
Festphasen-Grafting
20
Schmelze-Grafting
10
5
Einstufiges
Schmelze-Grafting
2
1
0
0,5
1
Mehr Details zur Technologie der
SCONA Modifikatoren finden Sie in
der Broschüre TP-TI 2 „Technologie
der SCONA Kunststoffmodifikatoren“.
Die Technologie bietet auch die
Möglichkeit, in einem zweistufigen
Prozess zu graften. In der ersten
Stufe erfolgt ein normales FestphasenGrafting, an das sich dann in der
zweiten Stufe ein Schmelze-Grafting
anschließt (Abbildung 5). Durch diese
Kombination lassen sich noch höhere
Pfropfgrade erzielen.
PP
SCONA
TPPP 8112 FA
4
C
2
Abbildung 5
SCONA Modifikatoren, die nur nach
dem Festphasen-Prozess hergestellt wurden, sind die „SCONA TP…“-Produkte.
Durch den kombinierten Prozess entstehen die „SCONA TS…“-Produkte.
Wirkmechanismus
Die Maleinsäureanhydrid-Gruppen
des Modifikators reagieren mit den
OH-Gruppen der Holzfaser zu
einer chemisch-stabilen Verbindung
(Abbildung 6).
Die Fasern werden dadurch optimal
in die Polymermatrix eingebunden,
was zu den wesentlichverbesserten
mechanischen Eigenschaften und der
höheren Witterungsbeständigkeit des
Compounds führt.
Einbindung der Fasern in die Polymermatrix
O
O
O
1,5
Pfropfgrad (Gew. % MSA)
Reaktion des Kopplers mit Naturfasern
C
Kombiniertes
Festphasen- und
Schmelze-Grafting
C
H O
H O
H O
PP
O
Naturfaser
O
C
O H
O
OH-Gruppen der Naturfasern
MSA-Gruppen des Modifikators
Basispolymer des Modifikators
Abbildung 6
Anwendungsinformation TP-A 1
Anwendungen in Polypropylen
Für WPC auf Basis von Polypropylen
empfehlen wir als Koppler SCONA
TPPP 8112 FA. Abbildung 7 zeigt sehr
anschaulich, wie die mechanischen
Eigenschaften und die Wasseraufnahme
eines WPC von der Technologie des eingesetzten Kopplers beeinflusst werden.
Die Werte sind mit SCONA TPPP 8112
FA durchweg günstiger als mit einem
Koppler der durch Schmelze-Grafting
hergestellt wurde. Bei den rot markierten Werten sind die Unterschiede am
deutlichsten.
Vorteile eines mit Festphasen-Grafting hergestellten Kopplers
WPC mit 60 % Lignocell P Super (Holzmehl),
38 % Polypropylen, 2 % Modifikator
Modifikator
Biegefestigkeit
[MPa]
Schmelze-Grafting
trocken
62,6
47,6
nass
48,1
37
Zugfestigkeit
[MPa]
trocken
42,9
26,1
nass
35,1
18,6
E-Modul
[MPa]
trocken
5.040
4.820
nass
3.320
2.290
Charpy-Schlagzähigkeit
[kJ/m2]
trocken
11,6
7,2
nass
12,3
6,7
6,5
8,9
Wasseraufnahme [%]
Ein Vergleich mehrerer MSA-modifizierter Koppler auf PP-Basis wurde von
Sykacek, Frech und Mundigler in der
Österreichischen Kunststoffzeitschrift
38 (2007) 1/2, S.12–15 veröffentlicht.
SCONA TPPP 8112 FA
(nach 20 Tagen Wasserlagerung)
Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Halle Abbildung 7
Zugfestigkeit (MPa)
Vergleichsuntersuchung verschiedener gängiger Koppler
Zugfestigkeit (MPa) Mittelwert aus 5–6 Messungen
40
Probe
35
30
25
20
15
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Probe
MFR (230 °C, 2,16 kg):
X PP-1: 40 g/10 min.
PP-1
PP-2
0
21,50
21,76
1
19,20
20,59
2
24,65
21,91
3
36,56
28,12
4
26,77
27,07
5
30,37
31,70
6
23,39
24,30
7
35,91
34,07
8
28,01
31,57
9
28,78
30,25
10
25,07
25,98
11
25,04
25,84
Nullprobe: 60 % Holzmehl, 40 % PP
SCONA TPPP 8112 FA
Reines Polymer: 100 % PP
Rezeptur für Proben 1 bis 10: 57 % Holzmehl, 40 % PP,
3 % Modifikator
X PP-2: 1,5 g/10 min. Abbildung 8
Quelle: IFA-Tulln Institut für Naturstofftechnik, Tulln, Österreich
Und in Abbildung 9 wird noch einmal
sehr deutlich, wie wichtig ein möglichst
hoher MSA-Gehalt im Koppler ist. Je
höher der Pfopfgrad, umso weniger
Koppler wird zur Sättigung der Holzoberfläche benötigt. Wachse lassen
sich zwar deutlich höher pfropfen, aber
durch das niedrigere Molekulargewicht
des Wachses ergeben sich schlechtere
mechanische Eigenschaften.
Einfluss des MSA-Gehaltes
Biegefestigkeit (MPa)
Abbildung 8 zeigt einen Teil der Ergebnisse und illustriert das sehr gute
Abschneiden des SCONA-Produktes
beim Vergleich mit diversen anderen
gängigen Kopplern.
75
70
65
Optimale Kopplermenge
60
55
50
45
0
1
2
3
Kopplermenge (Gew. %)
WPC mit PP und 40 % Holzmehl
SCONA TPPP 8112FA: 1,4 % MSA
X
X PP mit 0,5 % MSA
Abbildung 9
SCONA TPPP 9012FA: 1,0 % MSA
X
X PP Wachs mit 7 % MSA
Quelle: Dissertation Klaus Specht, Universität Kassel 2007
5
Anwendungsinformation TP-A 1
mit 0,74 % MSA. Wird stattdessen
die gleiche Menge eines Kopplers
mit 1,72 % MSA verwendet, sind die
Ergebnisse für die Biegefestigkeit nahezu
identisch. Reduzierung der Einsatzmenge
auf 2 % verbessert die mechanischen
Eigenschaften bei Einsatz des Kopplers
mit dem höheren MSA-Gehalt.
Wenn in einer bestehenden Formulierung ein Koppler mit niedrigem
MSA-Gehalt gegen ein Produkt mit
höherem MSA-Gehalt ausgetauscht
wird, ist es besonders wichtig auch
die Dosierung anzupassen. Sonst kann
es dazu kommen, dass nach dem
Austausch die erwartete Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften ausbleibt oder sich sogar eine Verschlechterung ergibt. Abbildung 10 erläutert
den Sachverhalt: eingesetzt werden
beispielsweise 3 % eines Kopplers
Ausschlaggebend für das Ergebnis ist
immer der MSA-Gehalt im Composite.
Das Optimum liegt in diesem Fall
zwischen 0,03 und 0,04 % MSA.
Der höher gepfropfte Modifikator
erreicht diesen Wert schon mit 2 %
Einsatzmenge, während von dem
Modifikator mit niedrigerem MSAGehalt naturgemäß deutlich höhere
Dosierungen (ca. 5 %) notwendig
sind. Die genauen Werte variieren im
jeweiligen Anwendungsfall mit den
eingesetzten Rohstoffen. Es ist deshalb
immer empfehlenswert, durch eine
Konzentrationsreihe den optimalen
Punkt zu ermitteln.
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Koppler
Biegefestigkeit (MPa)
Biegefestigkeit (MPa)
70
65
60
55
50
45
70
65
60
55
50
45
40
40
0
1
2
3
4
5
0
6
Kopplermenge im Composite (Gew. %)
X
Konischer gegenläufiger Extruder
50
45
40
Zugfestigkeit (MPa)
Zugfestigkeit (MPa)
Paralleler gleichlaufender Extruder
35
30
25
1
2
3
4
50
45
40
35
30
25
20
Kopplermenge (%)
X SCONA TSPE 1112 GALL
X SCONA TSPE 2102 GAHD
Schmelz-maleiniertes
Produkt
X
6
0,04
0,05
Koppler mit 0,74 % MSA (Schmelze-Grafting)
Vergleich der Wirkung von Kopplern auf Basis LLDPE und HDPE auf die
mechanische Festigkeit
0
0,03
Abbildung 10
Koppler mit 1,72 % MSA (Festphasen-Grafting)
20
0,02
MSA-Gehalt im Composite (Gew. %)
WPC mit PP und 40 % Holzmehl
X
0,01
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Kopplermenge (%)
Abbildung 11
Anwendungen in Polyethylen
Zu Beginn der Entwicklung von WPC
für breitere Anwendungen setzte
man in Europa, im Gegensatz zu den
USA, vor allem auf Polypropylen als
Matrixmaterial. Die Bevorzugung von
HDPE als Matrixpolymer in den USA
war vor allem der hohen Verfügbarkeit
von HDPE als Recyclingmaterial aus
Verpackungen geschuldet. Aufgrund
der besseren UV-Stabilität des Polyethylens ging man in den vergangenen
Jahren auch in Europa verstärkt zu
HDPE als Matrixmaterial über. Da HDPE
von Natur aus über eine geringere
Festigkeit und Steifigkeit verfügt, ist der
Einsatz von Kopplern zur Verbesserung
dieser Werte und natürlich auch der
Verringerung der Wasseraufnahme
besonders wichtig.
Anwendungsinformation TP-A 1
Für diese Anwendung sind zwei, durch
Kombination von Festphasen- und
Schmelzepfropfung sehr hoch gepfropfte
SCONA-Modfikatoren besonders geeignet, wobei als Basispolymer einmal LLDPE
und einmal HDPE dient. Welches Produkt
im konkreten Fall zum Einsatz kommen
sollte, hängt sehr von den zur Verfügung
stehenden Mischaggregaten und den
speziellen Zielsetzungen des jeweiligen
Kunden ab (Abbildung 11 und 12).
wie einem konischen gegenläufigen
Extruder, nicht zu empfehlen. In besser
durchmischenden Aggregaten, wie
beispielsweise einem parallelen gleichlaufenden Extruder, bringt dieser Koppler
zwar etwas geringere Festigkeitswerte
(aufgrund der geringeren Eigenfestigkeit), dafür werden bei der Reduzierung
der Wasseraufnahme mit diesem Koppler
extrem gute Werte erzielt.
Die HDPE-basierte Type SCONA TSPE
2102 GAHD bringt in allen Systemen
sehr gute Resultate hinsichtlich der
Verbesserung der mechanischen
Kennwerte und Reduzierung der
Wasseraufnahme. Der Einsatz des
LLDPE-basierten SCONA TSPE 1112
GALL ist aufgrund der nicht so guten
Mischbarkeit von HDPE und LLDPE in
nicht so stark knetenden Aggregaten,
Vergleich der Wirkung von Kopplern auf Basis LLDPE und HDPE auf die
Wasseraufnahme
Konischer gegenläufiger Extruder
7
6
5
4
3
2
1
0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
Kopplermenge (%)
Wasserabsorption nach 14 Tagen (%)
Wasserabsorption nach 14 Tagen (%)
Paralleler gleichlaufender Extruder
X SCONA TSPE 1112 GALL
X SCONA TSPE 2102 GAHD
Schmelz-maleiniertes
Produkt
X
7
6
5
4
3
2
1
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Kopplermenge (%)
Abbildung 12
Produktempfehlungen für WPC
Koppler für PP
SCONA TPPP 8112 FA
Basispolymer
Grafting
MFR (190 °C, 2,16 kg)
MSA-Gehalt
PP
Festphase
> 80 g/10 min.
1,4 %
Koppler für PE
Basispolymer
Grafting
MFR (190 °C, 5 kg)
MSA-Gehalt
SCONA TSPE 1112 GALL
LLDPE
Festphase + Schmelz
> 5 g/10 min.
2 %
SCONA TSPE 2102 GAHD
HDPE
Festphase + Schmelz
> 5 g/10 min.
1,7 %
7
Anwendungsinformation TP-A 1
Produkte und Anwendungen
BYK Additive
Produktgruppen:
Anwendungsgebiete:
•Additive zur Verbesserung
von Oberflächenglätte, Verlauf
und Untergrundbenetzung
•Entschäumer und Entlüfter
•Haftvermittler
•Netz- und Dispergieradditive
für Pigmente und Füllstoffe
•Prozessadditive
•Rheologieadditive
•UV-Absorber
•Viskositätsreduzierer
•Wachsadditive
Lackindustrie
•Maler- & Bautenlacke
•Autolacke
•Can Coatings
•Coil Coatings
•Holz- & Möbellacke
•Industrielacke
•Korrosionsschutzsysteme
•Lederlacke
•Pulverlacke
Kunststoffindustrie
•Kalthärtende Systeme
•PVC-Plastisole
•SMC/BMC
•Thermoplaste
Druckfarbenindustrie
•Flexodruckfarben
•Offset-Druckfarben
•Inkjet-Tinten
•Siebdruckfarben
•Tiefdruckfarben
•Überdrucklacke
Papieroberflächen-Veredelung
•Imprägnierungen
•Streichfarben
Klebstoffe und Dichtungsmassen
Bauchemie
Pigmentkonzentrate
BYK-Chemie GmbH
Postfach 10 02 45
46462 Wesel
Deutschland
Tel +49 281 670-0
Fax +49 281 65735
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von Trennmitteln
[email protected]
www.byk.com/additives
BYK Instrumente
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Postfach 970
82534 Geretsried
Deutschland
Tel +49 8171 3493-0
+49 800 427-3637
Fax +49 8171 3493-140
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DISPERBYK®, DISPERPLAST®, LACTIMON®, NANOBYK®, PAPERBYK®, SILBYK®, VISCOBYK® und Greenability® sind eingetragene
Warenzeichen der BYK-Chemie.
AQUACER®, AQUAMAT®, AQUATIX®, CERACOL®, CERAFAK®, CERAFLOUR®, CERAMAT®, CERATIX®, HORDAMER® und MINERPOL® sind eingetragene Warenzeichen der BYK-Cera.
SCONA® ist ein eingetragenes Warenzeichen der BYK Kometra.
06/2013
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