DE102016208904A1

DE102016208904A1 - Spritzgegossener Artikel sowie Verfahren zur Herstellung des Artikels

Info

Publication number: DE102016208904A1
Application number: DE102016208904.8A
Authority: DE
Inventors: Carsten Elsasser; Hartmut Wolf
Original assignee: Kautex Textron GmbH and Co KG
Current assignee: Kautex Textron GmbH and Co KG
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2017-11-23
Also published as: WO2017202618A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen spritzgegossenen Artikel aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einer die Gestalt des Artikels definierenden Wand, wobei die Wand einen expandierten thermoplastischen Kunststoff umfasst, der im Bereich einer ersten Wandstärke von einem Ausgangsvolumen auf ein Zielvolumen expandiert wurde, wobei die Wand auf die erste Wandstärke von dem Ausgangsvolumen auf das Zielvolumen von dem 1,5 fachen auf das 3,5fache des Ausgangsvolumens expandiert ist und wobei die Wand im Bereich der ersten Wandstärke eine gewichtsbezogene Biegesteifigkeit aufweist, die wenigstens das 1,5 fache der gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit einer nicht expandierten Wand aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff beträgt, wobei die Wand Hohlräume einer ersten Kategorie und Hohlräume einer zweiten Kategorie umfasst, wobei die Hohlräume der ersten Kategorie größer als die Hohlräume der zweiten Kategorie sind und wobei die Hohlräume der ersten Kategorie in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen größer als 0,5 mm, vorzugsweise teilweise größer als 1,1 mm sind und die Größe der Hohlräume der zweiten Kategorie in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen zwischen 0,5 und 0,35 mm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen spritzgegossenen Artikel aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einer die Gestalt des Artikels definierenden Wand, wobei die Wand einen expandierten thermoplastischen Kunststoff umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen spritzgegossenen Artikels.
Ein spritzgegossener Artikel aus einem expandierten thermoplastischen Kunststoff ist beispielsweise aus der EP 1 806 217 A1 bekannt. Die EP 1 806 217 A1 beschreibt im Wesentlichen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen spritzgegossenen Artikels, bei welchem ein schäumbarer thermoplastischer Kunststoff in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird, wobei die in das Spritzgießwerkzeug eingebrachte Kunststoffschmelze ein gelöstes überkritisches Inertgas umfasst, das bei einem sogenannten teilweisen Aufziehen des Spritzgießwerkzeugs in die Gasphase übergeht und so ein Aufschäumen des thermoplastischen Kunststoffs innerhalb der Kavität des Spritzgießwerkzeugs bewirkt. Auf diese Art und Weise wird ein mikrozellulärer Schaum erzeugt, der zur Ausbildung eines leichten spritzgegossenen Artikels mit verhältnismäßig geringer Dichte und einer Mikroporenstruktur führt.
Solche spritzgegossenen geschäumten Artikel eignen sich beispielsweise für die Innenraumverkleidung von KFZ, beispielsweise als Türmodulträger oder dergleichen. Derartige geschäumte Artikel besitzen ein geringes Gewicht bei relativ hoher Stabilität und lassen sich verhältnismäßig günstig fertigen.
Ziel der bekannten Verfahren ist es, Artikel herzustellen, die eine möglichst feinporige Struktur aufweisen, da im Allgemeinen davon ausgegangen wird, dass große Hohlräume innerhalb der Wand des Artikels zu Instabilität führen. Darüber hinaus führen große Gasblasen innerhalb der Schmelze zu einem erhöhten Verbrauch an Treibmittel.
Um einen Artikel mit einer möglichst gleichmäßigen und feinen Porenstruktur herstellen zu können, wird in der EP 1 806 217 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem zunächst bei einem Einspritzschritt der plastifizierte Kunststoff in Form einer Schmelze mit einem gelösten überkritischen Inertfluid in den Formhohlraum eingebracht wird und sodann das Volumen von Teilen der Kavität vergrößert wird, so dass sich zwischen zwei Außenhautbereichen, die im Wesentlichen keine Gasblasen aufweisen, ein geschäumter Kernbereich ausbildet. Um die Stabilität des so hergestellten Artikels zu verbessern, wird in der EP 1 806 217 A1 vorgeschlagen, der Kunststoffschmelze Glasfasern, Kohlefasern, Nanofasern oder natürliche Fasern zuzugeben.
Das Verfahren gemäß EP 1 806 217 A1 eignet sich grundsätzlich nicht zur Herstellung von strukturell stark beanspruchten Bauteilen wie beispielsweise Behältern oder Stoßfängern oder dergleichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spritzgegossenen Artikel der eingangs genannten Art bereit zu stellen, der sich insbesondere durch eine hohe Strukturfestigkeit auszeichnet. Der Artikel gemäß der Erfindung soll insbesondere mit einem Verfahren herstellbar sein, das demjenigen gemäß EP 1 806 217 A1 vergleichbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen spritzgegossenen Artikel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen spritzgegossenen Artikels mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind durch die abhängigen Verfahrensansprüche erfasst.
Die Anmelderin hat durch Versuche herausgefunden, dass sich ein spritzgegossener Artikel mit einer expandierten Wandstärke mit einer erhöhten Biegesteifigkeit herstellen lässt, wenn der thermoplastische Kunststoff so expandiert wird, dass Hohlräume oder Zellen mit besonders großem Durchmesser entstehen. Besonders vorteilhaft sind diesbezüglich expandierte Wandbereiche, die deutlich ausgeprägte Randschichten und mittig etwa säulige bis ovale, längliche Hohlräume aufweisen, die sich etwa parallel zu einer Flächennormale einer Wand erstrecken und in ihrer Längsrichtung einen größeren Durchmesser als quer dazu besitzen.
Bei einem solchen spritzgegossenen Artikel kann die Wand eine Biegesteifigkeit aufweisen, die unter gleichen Bedingungen gleich oder größer der Biegesteifigkeit einer nicht expandierten Wand aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff mit einem Volumen ist, das etwa dem Zweifachen des Ausgangsvolumens des expandierten thermoplastischen Kunststoffs entspricht.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein spritzgegossener Artikel aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einer die Gestalt des Artikels definierenden Wand vorgesehen, wobei die Wand einen expandierten thermoplastischen Kunststoff umfasst, der im Bereich einer ersten Wandstärke von einem Ausgangsvolumen auf ein Zielvolumen expandiert wurde, wobei die Wand auf die erste Wandstärke von dem Ausgangsvolumen auf das Zielvolumen um das 1,5 bis 3,5 fache des Ausgangsvolumens expandiert ist und wobei die Wand im Bereich der ersten Wandstärke eine gewichtsbezogene Biegesteifigkeit aufweist, die wenigstens das 1,5 fache der gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit einer nicht expandierten Wand aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff beträgt.
Vorzugsweise umfasst die Wand Hohlräume einer ersten Kategorie und Hohlräume einer zweiten Kategorie, wobei die Hohlräume der ersten Kategorie größer als die Hohlräume der zweiten Kategorie sind und wobei die Hohlräume der ersten Kategorie in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen größer als 0,5 mm, vorzugsweise teilweise größer als 1,1mm sind und die Größe der Hohlräume der zweiten Kategorie in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen zwischen 0 und 0,35 mm beträgt.
Vorzugsweise umfasst die Wand im Bereich der ersten Wandstärke eine innere expandierte Schicht mit Hohlräumen der ersten Kategorie und äußere Schichten mit Hohlräumen der zweiten Kategorie.
Unter einer gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, dass die Biegesteifigkeit auf die Masse des thermoplastischen Kunststoffs normiert ist, das heißt, verglichen wird die Biegesteifigkeit bei gleichem Schussgewicht des Artikels.
Als spritzgegossener Artikel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein strukturell belastbares Bauteil für ein KFZ vorgesehen. Vorzugsweise ist der spritzgegossene Artikel als Fluidbehälter für ein KFZ, beispielsweise als Scheibenflüssigkeitsbehälter, Nebenflüssigkeitsbehälter oder Kraftstoffbehälter ausgebildet.
Die Wand des spritzgegossenen Artikels umfasst vorzugsweise Bereiche unterschiedlicher Wandstärke, wobei der thermoplastische Kunststoff im Bereich einer zweiten Wandstärke nicht expandiert ist und wobei vorzugsweise der nicht expandierte thermoplastische Kunststoff und der expandierte thermoplastische Kunststoff die gleiche Polymerzusammensetzung aufweisen.
Der thermoplastische Kunststoff kann über die erste Wandstärke eine erste Dichte und über die zweite Wandstärke eine zweite Dichte aufweisen, wobei die erste Dichte zwischen 0,28 und 0,66 g/cm³ und die zweite Dichte zwischen 0,93 und 0,98 g/cm³ bei einer Temperatur von jeweils 23°C beträgt.
Vorzugsweise ist der thermoplastische Kunststoff des spritzgegossenen Artikels ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polyethylen, Polyamid, Polypropylen, Polyketon, Polyether-Keton und Polyetherether-Keton.
Beispielsweise kann der thermoplastische Kunststoff ein Polyethylen hoher Dichte mit einem Schmelzflussindex (MFI) zwischen 2,0 und 15,0 g/10 min sein. Als Polyethylen hoher Dichte kommt beispielsweise ein Material in Betracht, das unter den Handelsnamen Lupolen 4261 AG, Lupolen 4261 AG oder Lupolen 4261 AG erhältlich ist.
Der Schmelzflussindex wurde zweckmäßigerweise bei einer Temperatur von 190°C und einem Auflagegewicht von 2,16 kg nach DIN EN ISO 1133 (2) ermittelt, und zwar unter Verwendung eines „Zwick“-Fließprüfgeräts nach DIN ISO 1133. (Lupolen 4261 AG 6 g/10 min mit 21,6 Kg, Lupolen 4261 AG 15 g/10 min mit 21, 6 Kg und Lupolen 4261 AG mit 2g/10 mit 2,16 Kg) Der thermoplastische Kunststoff des spritzgegossenen Artikels kann grundsätzlich als faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff ausgebildet sein.
Der thermoplastische Kunststoff des spritzgegossenen Artikels gemäß der Erfindung kann einen oder mehrere Füllstoffe, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Glaskügelchen, Glashohlkugeln, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoffpartikel, Ruß, Talkum oder dergleichen umfassen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn der thermoplastische Kunststoff einen Basiswerkstoff und ein darin dispergiertes Nukleierungsmittel umfasst, wobei das Nukleierungsmittel ausgewählt ist aus einer Gruppe, umfassend ein Ruß und ein Talkum.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass als Nukleierungsmittel Ruß und Talkum besonders geeignet sind, da sich unter Verwendung dieser Nukleierungsmittel eine besonders günstige Hohlraumstruktur einstellt.
Bei der Verwendung von Talkum als Nukleierungsmittel lassen sich expandierte Wandstärken des spritzgegossenen Artikels herstellen, die sich durch verhältnismäßig kompakte Deckschichten mit Hohlräumen der ersten Kategorie und durch eine Kernschicht mit Hohlräumen der zweiten Kategorie auszeichnen. Unter einer Deckschicht ist eine Außenhaut mit Hohlräumen der zweiten Kategorie zu verstehen, unter einer Kernschicht in diesem Sinne ist die innere expandierte Schicht mit Hohlräumen der zweiten Kategorie zu verstehen.
Die unter Verwendung von Talkum als Nukleierungsmittel expandierte Wand zeichnet sich vorzugsweise durch zwei kompakte Deckschichten, jeweils eine an die Deckschicht angrenzende Randschicht und eine Kernschicht beziehungsweise innere expandierte Schicht aus. Im Bereich der Randschichten können die Hohlräume in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen eine Größe aufweisen, die zwischen 0,2 bis 0,5 mm beträgt.
Im Bereich der Deckschichten sind die Hohlräume vorzugsweise etwa rund, ebenso im Bereich der Randschichten.
Im Bereich der Kernschicht bzw. der inneren expandierten Schicht bilden sich vorzugsweise gestreckte Hohlräume aus, wobei die Hohlräume zumindest teilweise offenzellig sind, das heißt, miteinander kommunizieren. Insbesondere durch die säulige, langgestreckte Ausbildung der Hohlräume ergibt sich eine besonders hohe gewichtsbezogene Biegesteifigkeit des spritzgegossenen Artikels im Bereich der ersten Wandstärke.
Überraschenderweise ist diese Biegesteifigkeit im Bereich der ersten Wandstärke unter gleichen Bedingungen gleich oder größer der Biegesteifigkeit einer nicht expandierten Wand aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff mit einem Volumen, dass dem Zweifachen des Ausgangsvolumens des expandierten thermoplastischen Kunststoffs entspricht. Das heißt, dass die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit der expandierten Wand höher als die Biegesteifigkeit der nicht expandierten Wand ist. Insbesondere bei verhältnismäßig großen und groben Hohlräumen wäre eigentlich zu erwarten gewesen, dass sich die Biegesteifigkeit des Bauteils im Bereich der expandierten Wand reduziert.
Erfindungsgemäß sind daher bei einer bevorzugten Variante spritzgegossene Artikel vorgesehen, die Bereiche unterschiedlicher Wandstärke aufweisen, wobei in zu verstärkenden Bereichen des spritzgegossenen Artikels die Wand gezielt expandiert bzw. aufgezogen ist.
Der thermoplastische Kunststoff kann beispielsweise Talkum als Nukleierungsmittel mit einem Anteil zwischen 1 und 2 Gew.-% umfassen.
Unter einem Talkum im Sinne der Erfindung ist ein pulverförmiges Talkmineral als Schichtsilikat mit der chemischen Zusammensetzung Mg₃[Si₄O₁₀(OH)₂] zu verstehen.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung findet Ruß aus Nukleierungsmittel Anwendung. Der Vorzug der Verwendung von Ruß ist darin zu sehen, dass Ruß auch ansonsten als Füllstoff für technische Kunststoffformteile Vorteile aufweist. Ein Vorzug ist beispielsweise, dass die elektrische Leitfähigkeit des betreffenden Bauteils einstellbar ist, was zum Beispiel bei der Herstellung von Flüssigkeitsbehältern von Vorteil ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der thermoplastische Kunststoff als Nukleierungsmittel zwischen 0,5 und 0,9 Gew.-% Ruß umfasst. Besonders überraschend hat sich herausgestellt, dass insbesondere unter Verwendung von Ruß als Nukleierungsmittel expandierte Wände des spritzgegossenen Artikels herstellbar sind, die sich durch kompakte Deckschichten mit runden Hohlräumen der ersten Kategorie, durch Randschichten mit länglichen Hohlräumen zwischen 0,1 bis 0,5 mm und durch eine innere expandierte Schicht mit Hohlräumen der ersten Kategorie auszeichnet, wobei insbesondere die Hohlräume der ersten Kategorie überwiegend größer als 1,1 mm gemessen in Richtung ihrer größten Erstreckung sind. Dabei stellt sich eine Struktur der innen expandierten Schicht (Kernschicht) ein, bei der die Hohlräume überwiegend miteinander kommunizieren, das heißt nicht als geschlossene Zellen ausgebildet sind. Die so entstehende Hohlraumstruktur ist verhältnismäßig groß, die einzelnen Wände der Hohlräume sind zu Säulen verschmolzen. Die Anmelderin hat herausgefunden, dass die Biegesteifigkeit solcher Wandbereiche verglichen mit nicht expandierten Wänden deutlich größer ist, entgegen der ursprünglichen Vermutung, dass verhältnismäßig große Hohlräume in der inneren expandierten Schicht die Biegesteifigkeit des betreffenden spritzgegossenen Artikels eher reduzieren.
Bei dem spritzgegossenen Artikel gemäß der Erfindung kann der expandierte thermoplastische Kunststoff ein Hohlraumvolumen von etwa 30 bis 70% aufweisen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn wenigstens 50% der Hohlräume eine durchschnittliche Größe von größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 1,1 mm in der Richtung der größten Erstreckung gemessen aufweisen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es zweckmäßig und vorteilhaft, wenn die Hohlräume eine Orientierung parallel zu einer Flächennormalen der Wand aufweisen und in dieser Richtung einen größeren Durchmesser als quer dazu besitzen. Eine solche Hohlraumstruktur trägt insbesondere zur Biegesteifigkeit des erfindungsgemäßen spritzgegossenen Artikels bei.
Die Außenhaut bzw. die Deckschicht des spritzgegossenen Artikels kann beispielsweise eine Dicke von 5 bis 20% der ersten Wandstärke aufweisen. Die Außenhaut umfasst Hohlräume der zweiten Kategorie, idealerweise umfasst die Außenhaut beziehungsweise Deckschicht keine oder nahezu keine Hohlräume.
An die Außenhaut kann sich jeweils eine Randschicht anschließen, die bei Verwendung von Talkum als Nukleierungsmittel Hohlräume mit einer Größe von zwischen 0,2 und 0,5 mm aufweisen kann. Diese Hohlräume werden im Sinne der Erfindung einer dritten Kategorie von Hohlräumen zugeordnet.
Die Übergänge zwischen den einzelnen Schichten der expandierten Wand bezogen auf die Dicke der Wand sind keine harten Übergänge im Sinne von einzelnen, exakt voneinander trennbaren Schichten, vielmehr ist der Übergang der einzelnen Kategorien von Hohlräumen fließend.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines spritzgegossenen Artikels aus thermoplastischem Kunststoff, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:

a) Erzeugen einer Polymerschmelze,
b) Einbringen eines gasförmigen Treibmittels in die Polymerschmelze,
c) Durchmischen der Polymerschmelze mit dem Treibmittel, vorzugsweise zu einer Einphasenmischung,
d) Injizieren der Mischung aus Polymerschmelze und Treibmittel unter Druck in eine Spritzgießform mit einer den Artikel definierenden Kavität,
e) Druckentlasten der Kavität, wenigstens bereichsweise, unter Volumenzugabe derart, dass die Polymerschmelze eine expandierte Schicht mit eingeschlossenen Hohlräumen einer ersten Kategorie und beiderseits der expandierten Schicht eine Außenhaut mit Hohlräumen einer zweiten Kategorie bildet, wobei die Hohlräume der ersten Kategorie größer als die Hohlräume der zweiten Kategorie sind.

Als gasförmiges Treibmittel wird vorzugsweise Stickstoff verwendet. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes passives Treibmittel, im Gegensatz zu im Stand der Technik häufig verwendeten aktiven chemischen Treibmitteln. Bekanntermaßen ist Stickstoff inert. Alternativ zur Verwendung von Stickstoff als inertes passives Treibmittel kommt die Verwendung von C0₂ als Treibmittel in Betracht.
Vorzugsweise wird das Treibmittel in der Schmelze gelöst, das heißt in sogenanntem überkritischen Zustand verwendet. Bei Druckentlastung der Kavität des Spritzgießwerkzeugs geht das Treibmittel dann in die Gasphase über.
Zweckmäßigerweise wird der Polymerschmelze das gasförmige Treibmittel mit einem Anteil zwischen 0,35 und 1 Gew.-% zugesetzt.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens ist das Erzeugen einer Polymerschmelze auf der Basis von Polyethylen mit hoher Dichte vorgesehen.
Zweckmäßigerweise wird ein Teilbereich der Kavität des Spritzgießwerkzeugs unter Verwendung wenigstes eines Schiebers von einem Ausgangsvolumen auf ein Zielvolumen aufgezogen. Insgesamt kann das Spritzgießwerkzeug so ausgebildet sein, dass die gesamte Wand des hergestellten spritzgegossenen Artikels aufgezogen wird, alternativ kann vorgesehen sein, dass nur ein oder mehrere Teilbereiche der Kavität unter Verwendung wenigstens eines oder mehrerer Schieber von einem Ausgangsvolumen auf ein Zielvolumen aufgezogen wird, so dass ein Artikel mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke erhalten wird.
Zweckmäßigerweise umfasst die Polymerschmelze Ruß oder Talkum als Nukleierungsmittel oder der Polymerschmelze wird Ruß oder Talkum als Nukleierungsmittel zugegeben.
Der Ruß kann beispielsweise mit einem Anteil von 0,5 bis 0,9 Gew.-% zugegeben werden. Das Talkum kann beispielweise mit einem Anteil von 1 bis 2 Gew.-% zugegeben werden. Alternativ zu der Zugabe von Ruß als Nukleierungsmittel kann beispielsweise die Verwendung eines Masterbatch mit einem Rußanteil von 20 bis 30 Gew.-% vorgesehen sein. Ein solcher Masterbatch ist beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Remafin im Handel erhältlich.
Ein spritzgegossener Artikel gemäß der Erfindung hergestellt mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hat nicht nur den Vorzug einer erhöhten Biegesteifigkeit, sondern auch den Vorzug einer verringerten Wärmeleitfähigkeit, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn als spritzgegossenen Artikel ein Flüssigkeitsbehälter für ein wässriges Additiv oder für eine wässrige Lösung vorgesehen sein soll. Bei solchen Flüssigkeitsbehältern ist eine wünschenswerte und vorteilhafte Eigenschaft die thermische Isolierung der bevorrateten Flüssigkeit. Dies kann allerdings auch bei Kraftstoffbehältern vorteilhaft sein, beispielsweise bei Kraftstoffbehältern für Dieselkraftstoffe.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, wobei die beigefügten Figuren Schliffbilder zeigen, die jeweils mit Auflichtmikroskopie erstellt wurden.
1 zeigt ein Schliffbild einer Wand eines expandierten thermoplastischen Kunststoffs unter Verwendung von Talkum als Nukleierungsmittel und
2 zeigt ein Schliffbild einer Wand eines expandierten thermoplastischen Kunststoffs unter Verwendung von Ruß als Nukleierungsmittel.
Auf das Schliffbild gemäß 1 wird nachstehend als Beispiel 1 Bezug genommen, wohingegen auf das Schliffbild gemäß 2 als Beispiel 2 Bezug genommen wird.
Beispiel 1:
Der Artikel gemäß Beispiel 1 wurde erhalten aus einem thermoplastischen Kunststoff auf der Basis von HDPE unter Verwendung des im Handel erhältlichen Materials Lupolen GX 5038. Dem Material wurde ein Anteil von 2% Talkum als Nukleierungsmittel zugesetzt. Die Polymerschmelze wurde mit 0,38 Gew.-% Stickstoff beladen. Die Ausgangswanddicke des nicht expandierten Materials betrug 1,5mm. Der Hub im Werkzeug betrug 2,25 mm. Das Werkzeug wurde in dem Bereich der expandierten Wand mit einer Aufzugsgeschwindigkeit von 0,375 mm/sec aufgezogen. Die Masse wurde mit einer Geschwindigkeit von 40 cm³/sec eingespritzt, die Massetemperatur betrug 250°C, die Werkzeugtemperatur 50°C. Die Wand des spritzgegossenen Artikels wurde von der Ausgangswandstärke 1,5 mm auf eine Zielwandstärke von 3,24 mm aufgezogen. Die obere Deckschicht hat eine Dicke von etwa 0,19 mm (obere Außenhaut), die untere Deckschicht (untere Außenhaut) hat eine Dicke von etwa 0,3 mm. Die Deckschichten sind kompakt, das heißt, besitzen im Wesentlichen keine Hohlräume bzw. Einschlüsse. An die obere Deckschicht schließt sich eine Randschicht mit runden Hohlräumen mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 0,5 mm an. An die obere Randschicht schließt sich dann eine innere expandierte Schicht mit gestreckten Zellen mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 0,5 mm an, wobei die Erstreckung der Hohlräume über die Dicke der Probe betrachtet länglich ist, das heißt, die Hohlräume eine Orientierung parallel zu einer Flächennormalen der Wand aufweisen und in dieser Richtung einen größeren Durchmesser als quer dazu besitzen. An die innere expandierte Schicht schließt sich wiederum eine untere Randschicht an und an diese die untere Deckschicht bzw. die Außenhaut der Wand des spritzgegossenen Artikels.
Das Schliffbild gemäß 1 zeigt einen repräsentativen Schnitt durch die Probe, wobei sich grundsätzlich angussnah eine dichtere Zellstruktur einstellt als angussfern. Die Probe zeigt ein repräsentatives Beispiel aus verschiedenen Proben
Beispiel 2:
Die in 2 gezeigte Probe wurde durch Spritzgießen eines Polyethylens hoher Dichte unter Verwendung von Ruß als Nukleierungsmittel erhalten. Der verarbeitete thermoplastische Kunststoff umfasste 2% eines Masterbatch, das unter der Handelsbezeichnung Remafin im Handel erhältlich ist. Dieser Masterbatch umfasst Ruß mit etwa 20 bis 30 Gew.-%.
Die Schmelze wurde mit 1 Gew.% gasförmigem Stickstoff beladen, so dass der Stickstoff als Treibmittel in der Schmelze gelöst war. Die Ausgangswandstärke in dem nicht aufgezogenen Spritzgießwerkzeug betrug 1,5 mm, das Werkzeug wurde auf eine Zielwandstärke von 2,25 mm aufgezogen. Dementsprechend beträgt die Dicke der Probe 2,25 mm. Die Aufzugsgeschwindigkeit betrug 0,17 mm/sec. Die Einspritzgeschwindigkeit betrug 40 cm³/sec, die Außentemperatur 250°C und die Werkzeugtemperatur 50°C.
Beiderseits einer inneren expandierten Schicht mit Hohlräumen, deren Längserstreckung deutlich größer als 1,1 mm ist, erstrecken sich Randschichten mit länglichen Zellen/Hohlräumen mit einer Länge von 0,1 bis 0,5 mm. Beiderseits der Randschichten erstreckt sich jeweils eine kompakte Deckschicht bzw. Außenhaut, die nahezu keine Hohlräume umfasst. Die in 2 obere Außenhaut besitzt eine Dicke von 0,35 mm, die untere Außenhaut besitzt ebenso eine Dicke von 0,35 mm.
Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel lassen sich die sogenannten Schichten nicht eindeutig abgrenzen, die Übergänge zwischen den sogenannten Schichten sind fließend. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist unter dem Begriff Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung kein Bereich mit einem klar definierten Übergang zu dem nächsten Bereich zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1806217 A1 [0003, 0003, 0006, 0006, 0007, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 1133 (2) [0022]
DIN ISO 1133 [0022]

Claims

Spritzgegossener Artikel aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einer die Gestalt des Artikels definierenden Wand, wobei die Wand einen expandierten thermoplastischen Kunststoff umfasst, der im Bereich einer ersten Wandstärke von einem Ausgangsvolumen auf ein Zielvolumen expandiert wurde, wobei die Wand auf die erste Wandstärke von dem Ausgangsvolumen auf das Zielvolumen um das 1,5 bis 3,5 fache des Ausgangsvolumens expandiert ist und wobei die Wand im Bereich der ersten Wandstärke eine gewichtsbezogene Biegesteifigkeit aufweist, die wenigstens das 1,5 fache der gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit einer nicht expandierten Wand aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff beträgt.
Spritzgegeosener Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand Hohlräume einer ersten Kategorie und Hohlräume einer zweiten Kategorie umfasst, wobei die Hohlräume der ersten Kategorie größer als die Hohlräume der zweiten Kategorie sind und wobei die Hohlräume der ersten Kategorie in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen größer als 0,5 mm, vorzugsweise teilweise größer als 1,1mm ist und die Größe der Hohlräume der zweiten Kategorie in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen zwischen 0 und 0,35 mm beträgt.
Spritzgegossener Artikel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand im Bereich der ersten Wandstärke eine innere expandierte Schicht mit Hohlräumen der ersten Kategorie und äußere Schichten mit Hohlräumen der zweiten Kategorie umfasst.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand Bereiche unterschiedlicher Wandstärke aufweist, wobei der thermoplastische Kunststoff im Bereich einer zweiten Wandstärke nicht expandiert ist, wobei vorzugsweise der nicht expandierte thermoplastische Kunststoff und der expandierte thermoplastische Kunststoff die gleiche Polymerzusammensetzung umfassen.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff über die erste Wandstärke eine erste Dichte und über die zweite Wandstärke eine zweite Dichte aufweist, dass die erste Dichte zwischen 0,28 und 0,66 g/cm³ und dass die zweite Dichte zwischen 0,93 g/cm³und 0,98 g/cm³ bei einer Temperatur von 23 °C beträgt.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Polyethylen, Polyamid, Polypropylen, Polyketon, Polyetherketon und Polyetheretherketon.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff ein Polyethylen hoher Dichte mit einem Schmelzflussindex zwischen 2,0 und 15,0 gr/10 min ist.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff einen Basiswerkstoff und ein darin dispergiertes Nukleierungsmittel umfasst, wobei das Nukleierungsmittel ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein Ruß und ein Talkum.
Spritzgegossener Artikel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff als Nukleierungsmittel zwischen 1 und 2 Gewichtsprozent Talkum umfasst.
Spritzgegossener Artikel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff als Nukleierungsmittel zwischen 0,5 und 0,9 Gewichtsprozent Ruß umfasst.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte thermoplastische Kunststoff ein Hohlraumvolumen von 30 bis 70 Prozent aufweist.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 50 Prozent der Hohlräume eine durchschnittliche Größe von größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 1,1 mm in der Richtung der größten Erstreckung gemessen aufweisen.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume eine Orientierung parallel zu einer Flächennormalen der Wand aufweisen und in dieser Richtung einen größeren Durchmesser als quer dazu besitzen.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut eine Dicke von 5 bis 20 Prozent der ersten Wandstärke aufweist.
Spritzgegossener Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand im Bereich der ersten Wandstärke Hohlräume einer dritten Kategorie umfasst, deren Größe in Richtung ihrer größten Erstreckung gemessen zwischen 0,2 und 0,5 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Spritzgegossener Artikels aus thermoplastischem Kunststoff mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Erzeugen einer Polymerschmelze, b) Einbringen eines gasförmigen Treibmittels in die Polymerschmelze, c) Durchmischen der Polymerschmelze mit dem Treibmittel, vorzugsweise zu einer Ein-Phasen-Mischung, d) Injizieren der Mischung aus Polymerschmelze und Treibmittel unter Druck in eine Spritzgießform mit einer den Artikel definierenden Kavität, e) Druckentlasten der Kavität, wenigstens bereichsweise, unter Volumenzugabe, derart, dass ein Ausgangsvolumen der Kavität auf ein Zielvolumen der Kavität vergrößert wird, wobei die Druckentlastung so gesteuert wird, dass die Polymerschmelze eine expandierte Schicht mit eingeschlossenen Hohlräumen einer ersten Kategorie und beiderseits der expandierten Schicht eine Außenhaut mit Hohlräumen einer zweiten Kategorie bildet, wobei die Hohlräume der ersten Kategorie größer als die Hohlräume der zweiten Kategorie sind.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilbereich der Kavität unter Verwendung wenigstens eines Schiebers von einem Ausgangsvolumen auf ein Zielvolumen aufgezogen wird, sodass ein Artikel mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärke erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschmelze Ruß oder Talkum als Nukleierungsmittel umfasst oder der Polymerschmelze Ruß oder Talkum als Nukleierungsmittel zugegeben wird, vorzugsweise Ruß mit einem Anteil von 0,5 bis 0,9 Gewichtsprozent oder Talkum mit einem Anteil von 1 bis 2 Gewichtsprozent.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Kavität, welcher aufgezogen wird, eine Volumenerhöhung um das 1,5 bis 3,5 fache des Ausgangsvolumens erfährt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzugsgeschwindigkeit zwischen 0,1 mm/s und 0,375 mm/s beträgt.