Schrumpelige Sache

News: Schrumpelige Sache

Die Industrie kämpft schon seit langem mit dem Problem, dass die Oberfläche von Kunststoffpasten stark verschrumpelt, wenn man sie durch dünne Röhrchen drückt. Nun konnten Wissenschaftler klären, warum die unerwünschte Verformung auftritt, und warum ein bestimmter Zusatzstoff den Effekt zu unterdrücken vermag.

Thorsten Krome

Kunststoffe bestehen aus Polymeren – langen organischen Molekülketten, die hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff bestehen. Bei der Herstellung vieler Plastikprodukte wird das zähflüssige Rohmaterial durch kleine Löcher in eine Form gepresst. Leider raut die Oberfläche des Kunststoffs bei diesem Prozess stark auf, es entsteht eine periodische Struktur aus Rillen und Furchen. Sie erinnert ein wenig an die Haut eines Hais, weshalb das Problem auch unter dem Namen Sharkskin-Effekt bekannt ist.

Zwar existieren einige Ansätze, das Phänomen zu mildern oder zu umgehen, aber so richtig zufrieden ist die Industrie mit diesen Möglichkeiten noch nicht. So lässt sich das Problem unterdrücken, indem man den Kunststoff sehr langsam durch die Röhrchen in die gewünschte Form presst – selbstredend überzeugt eine derartige Prozessführung die Hersteller nicht. Der Effekt lässt sich auch auszumerzen, indem man alle Parameter bei der Produktion peinlich genau kontrolliert – das ist jedoch aufwendig und damit auch unwirtschaftlich. Viele Hersteller nutzen so genannte Additive – chemische Zusätze, die für einen reibungsloseren Prozess sorgen sollen. Der Trick hilft, doch eigentlich weiß niemand so richtig warum.

Nun haben Kalman Migler und seine Kollegen vom National Institute of Science and Technology einen genaueren Blick auf einen Kunststoff geworfen: Die Physiker schickten flüssiges Polyethylen – genauer LLDPE – durch ein transparentes Saphirröhrchen und beobachteten mit einem speziellen Mikroskop für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, was passiert, wenn sich die unliebsamen Oberflächenstrukturen ausbilden.

Mit diesen direkten Messungen stellten sie fest, dass sich das Material in der Nähe des Austrittslochs extrem dehnte. Das Polymer teilte sich hier in zwei Bereiche: Zum einen war das die Oberfläche, zum anderen der Kern der Paste. Die äußeren Schichten flossen recht langsam, da sie an der Wand des Röhrchens festklebten. Der Kern wies jedoch eine deutlich größere Fließgeschwindigkeit auf. So kommt es, dass die Oberfläche stark zusammenschrumpelt und sich sogar teilweise abschält. Migler und sein Team meinen, dass dieser Vorgang die Bildung der Riffel erklärt und damit auch eine 25 Jahre alte Vermutung von Frederic Cogwell von der Firma ICI bestätigt.

Weiterhin fanden die Forscher auch heraus, warum ein bestimmtes Additiv so gut wirkt. Hierbei handelt es sich um Fluoropolymer, ein Polymer, bei dem einige Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt wurden. Der Zusatz wirkt wie ein Schmiermittel und unterdrückt so das Faltenwerfen des Polymers.