Sunforce™ – Ein Kügelchenschaum, der seine Abmessungen und Festigkeit auch bei hohen Temperaturen problemlos beibehält.
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Einführung

Sind Sie bei der Konstruktion mit expandiertem Polystyrol (EPS) oder expandiertem Polypropylen (EPP) schon einmal auf folgendes Problem gestoßen: „Die erwarteten Abmessungen und Festigkeiten werden in Hochtemperaturumgebungen nicht erreicht“?

Dieser Artikel erklärt, wie man die Hitzebeständigkeit von Schäumen aus einer "Konstruktionsperspektive" bewertet, wobei der modifizierte Polyphenylenether (mPPE)-Perlenschaum "Sunforce™" als Beispiel dient.

Warum ist die Hitzebeständigkeit von Schaumstoffen ein Konstruktionsproblem?

Schaumstoffe sind nützliche Werkstoffe hinsichtlich Gewichtsreduzierung und Formflexibilität, und expandiertes Polystyrol (EPS) und expandiertes Polypropylen (EPP) werden in vielen Bereichen eingesetzt.
Andererseits können Konstruktionen in Anwendungen und Prozessen mit hohen Temperaturen aufgrund von Dimensionsinstabilität oder eines stärker als erwarteten Festigkeitsabfalls versagen. Obwohl diese Probleme häufig auf „unzureichende Hitzebeständigkeit“ zurückgeführt werden, lässt sich die Hitzebeständigkeit von Schäumen nicht allein anhand eines Temperaturindex bewerten. Das Materialverhalten ändert sich erheblich in Abhängigkeit von den Belastungsbedingungen und der Betriebsumgebung.

Im nächsten Kapitel werden wir effektive Indikatoren zur Bewertung der Hitzebeständigkeit von Schäumen verwenden und darlegen, wie sich unterschiedliche Bedingungen auf das Materialverhalten auswirken.

Wie sollte die Hitzebeständigkeit von Schaumstoffen bewertet werden?

Die Hitzebeständigkeit des Schaumstoffs zeigt je nach Bewertungskriterium unterschiedliches Verhalten. In diesem Kapitel vergleichen wir das Hitzebeständigkeitsverhalten von EPS-, EPP- und mPPE-basierten Perlenschäumen anhand von drei Bewertungsindikatoren unter verschiedenen Bedingungen.

(1) Dimensionsprüfung bei Erwärmung

Der Erwärmungs-Dimensionsänderungstest ist ein Indikator, der zur Beurteilung der Dimensionsstabilität eines Materials unter Bedingungen verwendet wird, bei denen keine Spannung angelegt wird.
Während EPS und EPP bei steigenden Temperaturen zu Dimensionsänderungen neigen, weisen mPPE-basierte Perlenschäume selbst bei hohen Temperaturen nur minimale Dimensionsänderungen auf und behalten ein stabiles Verhalten bei.

(2) HDT-Test (Last-Durchbiegungs-Test)

Der HDT-Wert ist ein Index, der zur Bewertung des Wärmewiderstandsverhaltens unter Last verwendet wird.
Bei Belastung nimmt die Steifigkeit des Materials tendenziell ab, und die Verformung schreitet selbst bei relativ niedrigen Temperaturen in EPS und EPP fort. Im Gegensatz dazu zeigt mPPE-basierter Perlenschaum ein Verhalten, bei dem die Verformung selbst unter Last unterdrückt wird.

(3) Kompressionsprüfung bei hoher Temperatur

Die Kompressionsspannungs-Erhaltungsrate bei hohen Temperaturen ist ein Index, der bewertet, wie stark die Kompressionsspannung unter Hochtemperaturbedingungen abnimmt, und die Unterschiede in der Materialsteifigkeit beim Erreichen hoher Temperaturen spiegeln sich in den Unterschieden im Verhalten der einzelnen Materialien wider.

Warum expandiertes Polystyrol (EPS) und expandiertes Polypropylen (EPP) in Hochtemperaturumgebungen Designbeschränkungen aufweisen

Die im vorangegangenen Kapitel aufgezeigten Unterschiede in den Auswertungsergebnissen beruhen auf den thermischen Eigenschaften der Harze, aus denen die einzelnen Schäume bestehen.
EPS ist ein Werkstoff mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) um 100 °C. Da sich seine Steifigkeit bei dieser Temperatur ändert, variiert sein Verhalten bei hohen Temperaturen je nach Betriebsbedingungen.
EPP besitzt einen hohen Schmelzpunkt von ca. 160 °C, seine Glasübergangstemperatur (Tg) liegt jedoch bei etwa 0 °C. Daher zeigt es zwar unter unbelasteten Bedingungen ein stabiles Verhalten, unter Belastung nimmt die Steifigkeit jedoch deutlich ab.
Auf mPPE basierende Perlenschäume weisen im Vergleich zu diesen Materialien eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg) auf und zeigen auch bei hohen Temperaturen eine allmählichere Änderung der Steifigkeit.
Dieser Unterschied spiegelt sich in den Unterschieden der im vorangegangenen Kapitel dargestellten Auswertungsergebnisse wider.

Typische Tg- und Schmelzpunktwerte (Literaturwerte)

Sunforce™ ist ein Kügelchenschaum, der auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen Gestaltungsmöglichkeiten bietet.

Das Hauptmerkmal von Sunforce™ ist die Nutzung der Hitzebeständigkeit von mPPE-basierten Harzen in Form eines Schaumpartikels. Trotz seiner Schaumstruktur bietet es eine hohe Gestaltungsfreiheit hinsichtlich Dimensionsstabilität und Spannungsfestigkeit, selbst unter hohen Temperaturen. Dies unterscheidet es von Spritzgussprodukten und Blockmaterialien.

Darüber hinaus bietet Sunforce™ eine Produktpalette mit niedrigen Ausdehnungsverhältnissen von 3,5 bis 15 an, wodurch es sich um ein Material handelt, das sowohl eine Gewichtsreduzierung als auch die Funktionalität von Bauteilen in Anwendungen ermöglicht, die Steifigkeit und strukturelle Integrität in Hochtemperaturumgebungen erfordern.
Dies eröffnet eine neue Option bei der Materialauswahl, selbst unter Bedingungen, bei denen man bisher davon ausging, dass „Perlenschaum bei hohen Temperaturen nicht eingesetzt werden kann“.

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Beispiele für Anwendungen, die die Hitzebeständigkeit nutzen können

(1) Isoliermaterial für Motorölabscheider

Motorkomponenten sind in Umgebungen mit hohen Temperaturen Belastungen und Druckspannungen ausgesetzt. Obwohl durch den Einsatz von Schaumstoff eine bessere Isolierung und Gewichtsreduzierung angestrebt wird, kann die abnehmende Steifigkeit bei hohen Temperaturen mitunter eine konstruktive Herausforderung darstellen.
Sunforce™ ist ein mPPE-basierter Perlenschaum mit allmählichen Steifigkeitsänderungen bei hohen Temperaturen, wodurch er sich für Wärmedämmungsanwendungen im Bereich von Motorölabscheidern eignet.

(2) CFK-Kernmaterial

Bei CFK-Konstruktionen werden Sandwichstrukturen mit Kernmaterialien häufig eingesetzt, um sowohl Gewichtsreduzierung als auch Steifigkeit zu erzielen. Werden jedoch während des Formgebungsprozesses oder im Betrieb hohe Temperaturen angewendet, muss das Kernmaterial Dimensionsstabilität und Formbeständigkeit aufweisen.
Sunforce™ besitzt Eigenschaften, die es auch unter hohen Temperaturen weniger anfällig für Dimensionsänderungen und Steifigkeitsverlust machen. Daher ermöglicht die Verwendung als Kernmaterial für CFK eine einfachere Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Gewährleistung von Designflexibilität während Hochtemperatur-Formgebungsprozessen und im Einsatz.

Die Hitzebeständigkeit eines Schaumstoffs kann je nach Untersuchungsbedingungen unterschiedlich ausfallen. Unter hohen Temperaturen und starker Belastung ist die Glasübergangstemperatur entscheidend für die praktische Umsetzbarkeit.
Wir hoffen, dass dieser Artikel als Anstoß für ein Umdenken bei der Schaumstoffkonstruktion in Hochtemperaturumgebungen dienen wird.

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