TITEL: Strahlungsabsorption von Polystyrol

TITEL: Strahlungsabsorption von
Polystyrol-Halbzeugen im
Thermoformprozess
Josef F. Pühringer a, Gernot Zitzenbacher b,
Christoph Spreitzerb
a
FH OÖ, Forschungs- und Entwicklungs GmbH, Stelzhamerstraße 23,
A-4600 Wels, AUSTRIA
b
FH OÖ, Studienbetriebs GmbH, Fakultät für Technik und Umweltwissenschaften, Stelzhamerstraße 23, A-4600 Wels, AUSTRIA
KURZFASSUNG/ABSTRACT:
Neben der Heizzeit ist die gleichmäßige Durchwärmung des Halbzeugs einer der
Schlüsselparameter für eine zufriedenstellende Abformung beim Thermoformen.
Das Erwärmen geschieht meist durch Strahlung, die in der Simulation durch das
Gesetz von Bouguer Beer Lambert beschrieben wird. Die Materialparameter Reflexion und optische Eindringtiefe werden für die Anwendung dieses Gesetzes benötigt. Als Voraussetzung wird unter anderem zugrundegelegt, dass die optische
Eindringtiefe unabhängig von der Materialdicke sei. Die Gültigkeit dieser Voraussetzung wird in dieser Arbeit an zwei Polystyrol-Compounds untersucht.
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EINLEITUNG
Für das Thermoformen von Kunststoffplatten oder -folien wird das Material bis
zum Erreichen des gummielastischen Zustandes erwärmt. In der Praxis wird hierfür oft eine Strahlungsheizung eingesetzt. Die verwendeten Strahler sind abhängig von der gewünschten Strahlertemperatur: Keramik- (300 bis 700 °C), Quarzoder Quarzgut- (800 bis 900 °C), Carbon- (ca. 1200 °C) oder Halogenstrahler
(1600 bis 3800 °C). Diese emittieren Infrarot-Strahlung (IR-Strahlung), welche
die Wärmeenergie vom Strahler auf das Kunststoffhalbzeug überträgt.
Beim Thermoformen wird das erwärmte flächige Halbzeug mittels Vakuum
oder Druckluft unterstützt durch Vorblasen oder Vorstrecken zu einem dreidimensionalen Werkstück umgeformt [1]. Eine möglichst gleichmäßige Durchwärmung ist einer der Schlüsselparameter für eine vollständige Abformung des
Werkzeugs.
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ERGEBNISSE
Für die Berechnung der Temperaturverteilung im Halbzeug sowie der erforderlichen Aufheizzeit wird die zeitabhängige Wärmeleitungsgleichung gelöst. Dabei
ist es entscheidend, den Absorptionsprozess der IR-Strahlung im Polymer durch
geeignete Ansätze zu beschreiben. Dazu kann das Gesetz von Bouguer Beer
Lambert verwendet werden, das die Volumsabsorption durch einen exponentiellen Abfall der Strahlungsintensität mit der Tiefe beschreibt [2, S. 123-130].
Zwei Materialparameter, die Reflexion der Materialoberfläche und die optische
Eindringtiefe, bestimmen dabei das Absorptionsverhalten [3, S. 299-300]. Diese
beiden Größen können durch spektroskopische Methoden und spezielle Auswertungsprozeduren ermittelt werden [4].
In dieser Arbeit wird die Gültigkeit des Gesetzes von Bouguer Beer Lambert
bei diesem Aufheizvorgang untersucht. Die Reflexion und die Transmission von
verschieden dicken Folien eines transparenten ungefüllten und eines weißen gefüllten Polystyrols wurden gemessen. Die optische Eindringtiefe wurde berechnet
und schließlich als Funktion der Foliendicke in einem Diagramm aufgetragen.
Das Bouguer Beer Lambert Gesetz gilt als erfüllt, wenn die Eindringtiefe von
der Dicke der Polymerfolie unabhängig ist. Die Resultate der transparenten aber
zerbrechlichen Polystyrolfolie zeigen eine gute Übereinstimmung mit dieser
Voraussetzung. Die Folie aus gefülltem Polystyrol zeigt dagegen abhängig vom
untersuchten Wellenlängenintervall eine deutliche Abhängigkeit der optischen
Eindringtiefe von der Foliendicke.
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DISKUSSION UND SCHLUSSFOLGERUNGEN
Diese Abhängigkeit kann durch die Streuung der Strahlung an Füllstoffpartikeln
erklärt werden. Diese Ablenkung der einzelnen Strahlen vermindert, je nach deren Dichte, zusätzlich zur Absorption die Intensität der Strahlung mit der Halbzeugtiefe.
Bei der Abnahme der Intensität der Wämestrahlung und der Umwandlung derselben in Wärme im Kunststoffhalbzeug handelt es sich im Allgemeinen um
einen komplexen Vorgang, der aus einer Mischung von Absorption und Streuung
besteht. Ist kein oder nur ein geringer Streueinfluss vorhanden, so kann der Vorgang durch das Bouguer Beer Lambert Gesetz mit den wellenlängenabhängigen
Größen Reflexion und optisch Eindringtiefe beschrieben werden [2, S. 273-275].
LITERATURVERWEISE
[1]
[2]
[3]
[4]
Throne, James L. und Beine, Joachim (1999): Thermoformen ––– Werkstoffe Verfahren - Anwendung, Carl Hanser Verlag, München - Wien.
Schmidt, Werner (2000): Optische Spektroskopie – Eine Einführung, Wiley-VCH
Verlag, Weinheim.
Pühringer, Josef F. und Zitzenbacher, Gernot (2010): Simulation und Prozessbeschreibung beim Thermoformen von Kunststoffen. In: Tagungsband: 4. Forschungsforum der österreichischen Fachhochschulen, 7-8. April 2010, Pinkafeld,
S. 298-303.
Pühringer, Josef F., Zitzenbacher, Gernot, Priller, Bastian (2009): Determination of
the Parameters needed to describe the Heating Step in the Thermoforming Process.
APST one, Rudolf Trauner Verlag, Linz, S. 115 (Posterbeitrag).
DANKSAGUNG
Die Arbeiten für den vorgestellten Beitrag wurden im Rahmen des Projekts „Kunststoffstandort Oberösterreich“ mit finanziellen Mitteln des Landes Oberösterreich gefördert.