Verfahrensentwicklung zur Herstellung von energieoptimierten PVC-Fassadenelementen

Geschäumte Kunststoffprofile in einem Schritt

Die Luftkammern von Fassadenprofilen erzeugen eine Gewichtsreduzierung und bessere Wärmedämmeigenschaft im Vergleich zu Vollprofilen. Innerhalb der Hohlkammer findet jedoch aufgrund der freien Konvektion weiterhin ein Wärmefluss statt. Das SKZ-Kunststoff-Zentrum hat ein neues Verfahren entwickelt, das es zukünftig ermöglicht geschäumte Kunststoffprofile in einem Prozessschritt herzustellen.

Polyvinylchlorid (PVC) ist anwendungstechnisch und wirtschaftlich einer der bedeutendsten Kunststoffe. Nicht zuletzt aufgrund seiner guten Witterungsbeständigkeit wird der Großteil des in der EU verwendeten PVC im Bausektor eingesetzt.
Neben der Witterungsbeständigkeit spielt vor allem die Wärmedämmeigenschaft von Fassadenelementen zur Isolation der Gebäudehülle eine wichtige Rolle, um aus energetischer Sicht ein unnötiges Heizen bzw. Kühlen des Gebäudeinneren aufgrund der Wetterbedingungen zu vermeiden.

Effizienter Schaum für Hohlprofile

Fassadenelemente mit einem Hohlprofil weisen aufgrund ihrer Luftkammer gegenüber gleichen Vollprofilen grundsätzlich den Vorteil der Gewichtsersparnis sowie besseren Wärmedämmeigenschaft auf. Innerhalb der Hohlkammer findet jedoch aufgrund der freien Konvektion weiterhin ein Wärmefluss statt. Dabei tritt infolge der unterschiedlichen Temperaturen an den gegenüberliegenden Profilseiten, wie z. B. an der Gebäude-Außenseite und dem -Innenraum, eine Luftzirkulation in der Hohlkammer auf, welche zu einem Wärmeaustausch führt.
Eine Vermeidung dieser Luftzirkulation kann mittels Schäumen der Hohlkammer erzielt werden. Polymere Schäume weisen aufgrund ihrer niedrigen Dichte und Zellstruktur ein sehr geringes Eigengewicht und eine hohe Wärmedämmeigenschaft auf.

Das Ausschäumen der Hohlprofile kann als Offline- oder Inline-Verfahren stattfinden. In der Regel sind hierbei zwei- oder mehrstufige Fertigungsverfahren notwendig, welche einen erhöhten Arbeits- und Konfektionierungsaufwand sowie einen enormen Zwischenlagerungsplatz benötigen. Einstufige Prozesse sind bislang oft sehr komplex, wodurch die Herstellkosten extrem ansteigen. Aus diesem Grund beschäftigt sich das Kunststoff-Zentrum – SKZ, ein Mitglied der Zuse-Gemeinschaft, in einem vorwettbewerblichen Forschungsvorhaben mit der Verfahrensentwicklung zur Herstellung von geschäumten PVC-Kunststoffprofilen in einem Prozessschritt.

Im Zuge des Projekts soll ein PVC-Rechteckprofil mit einem Kern aus physikalisch geschäumten Polystyrol (PS) extrudiert werden. Die Arbeiten schließen dabei an ein erfolgreich abgeschlossenes Forschungsvorhaben an, welches sich mit der Extrusion eines PVC-Profils mit chemisch geschäumtem PS-Kern beschäftigt hat, an.

Ablauf der neuen Fertigungsmethode

Der Vorteil des physikalischen gegenüber dem chemischen Schäumen, liegt in der feinen geschlossenzelligen Struktur und der besonders niedrigen Materialdichte, die eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit ermöglichen. Als Treibmittel fungiert bei dem physikalischen Schäumen Kohlenstoffdioxid (CO2), welches im überkritischen Zustand in die PS-Schmelze eingemischt wird. Nachdem das CO2 im Polystrol vollständig zu einem einphasigen System unter Druck gelöst ist, sinkt die Glasübergangstemperatur des Materialgemisches im Vergleich zur unbeladenen PS-Schmelze deutlich ab, wodurch es sich bei niedrigeren Extrusionstemperaturen verarbeiten lässt, solange es unter hohem Druck gehalten wird. Zur Reduzierung der Schmelzetemperatur werden Kühlextruder bzw. Schmelzekühler eingesetzt.

Durch den abrupten Druckabfall auf Umgebungsdruck an der Werkzeugdüse geht das CO2 schlagartig in den gasförmigen Zustand über, wodurch ein Aufschäumen der PS-Schmelze beginnt. Im Zuge des Aufschäumens nimmt das PS wieder seine ursprüngliche Gasübergangstemperatur an, womit eine Verfestigung der Schaumstruktur einhergeht. Unterstützt wird die Zellenbildung durch die Zugabe von Nukleierungsmittel.

Das Aufschmelzen des PS und die homogene Verteilung der Zusatzstoffe findet auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder statt. Anschließend wird mittels einer Zahnradpumpe die CO2-beladene Schmelze durch Kühlmischer und Düsenwerkzeug gedrückt. Innerhalb des Düsenwerkzeugs wird die Schmelze über ein im Dorn liegendes Verteilersystem gleichmäßig auf mehrere Düsen verteilt, um ein möglichst einheitliches Ausfüllen der Hohlkammer mit dem aufschäumenden PS zu gewährleisten.

Das PVC-Blend wird mittels konischem, gegenläufigen Doppelschneckenextruder aufgeschmolzen und in das Düsenwerkzeug gefördert. Der Fließkanal für die PVC-Schmelze umschließt den innenliegenden Dorn und gewährleistet durch seine fließtechnische Gestaltung die einheitliche Wandstärke der äußeren Hülle des Profils.

Im Düsenwerkzeug befindet sich die Kühl- und Kalibrierstrecke sowie Abzugs- und Ablängvorrichtung. Insbesondere innerhalb der Kühlstrecke gilt es, das ausgeschäumte Profil abzukühlen, um die vorgegebenen Form- und Längentoleranzen einzuhalten und ein Kollabieren des Schaums aufgrund zu hoher Wärmeeinwirkung zu vermeiden.

Forschungsziel und -unterstützer

Im Zuge des Forschungsvorhabens soll die Herstellung von PS-geschäumten PVC-Profilen in einem einstufigen Prozessschritt betrachtet werden. Dies soll, unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten, die Herstellung von energieeffizienten Fassadenelementen ermöglichen. Begleitet wird die Verfahrensentwicklung von einer Prüfung der extrudierten Profile hinsichtlich der thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie Eignung für nachfolgende Verarbeitungsschritte (Bewertung der Verbundeigenschaften wie z. B. Schweißeigung) und einer Energieeffizienz- und Nachhaltigkeitsbewertung des Extrusionsprozesses. Das Forschungsvorhaben 19 EWN der Forschungsvereinigung FSKZ e. V. wird über die AiF vom BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert. Interessierte Unternehmen sind gerne dazu eingeladen, sich an dem projektbegleitenden Ausschuss zu beteiligen.

SKZ – KFE gGmbH

97076 Würzburg

www.skz.de

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