PP schuim om duurzaamheid en kosten te verbeteren

PP-schuim doet zijn intrede in auto's en verpakkingen om lichtgewicht en duurzaamheid te stimuleren. (Foto:Avient)

Het schuimen van polypropyleen heeft de laatste jaren een aanzienlijke aantrekkingskracht gewonnen, te beginnen met geëxtrudeerd PP-schuim en in toenemende mate vergezeld door injectie- en blaasvormschuim. Toonaangevende markten zijn automotive en verpakkingen, gevolgd door bouw en constructie, consumentenproducten en industriële goederen. Kostenprestatie is een belangrijke stimulans, vooral in de afgelopen paar jaar waarin de binnenlandse PP-prijzen de wereldwijde prijzen hebben overtroffen als gevolg van aanbodbeperkingen en een sterke vraag. Een belangrijkere factor in de toegenomen vraag naar geschuimde PP is het voldoen aan duurzaamheidsinitiatieven en -mandaten door simpelweg minder hars te gebruiken en door een alternatief te bieden voor PS en EPS, die soms als minder "milieuvriendelijk" worden beschouwd.

Lichtgewicht in de auto-industrie wint nog meer terrein met de focus van de industrie op elektrische voertuigen (EV's) en zal naar verwachting bijdragen aan een versnelde groei van PP. Idem voor verpakkingen, gedreven door duurzaamheidsinitiatieven. De groeivooruitzichten van schuim worden mogelijk gemaakt door recente technologische vooruitgang in fysisch en chemisch schuimen - en soms een combinatie van beide. Trexel, een leider in fysiek schuimvormen met zijn MuCell directe gasinjectieproces, heeft bijvoorbeeld de afgelopen drie jaar verdere verbeteringen aangebracht in zijn technologie waardoor dunwandig gieten tot niveaus die voorheen niet mogelijk waren.

Evenzo behoren iD Additives, Avient en Trexel tot leveranciers van chemische schuimmiddelen (CFA) die formuleringen hebben geïntroduceerd die microcellulaire schuimen produceren met een zeer kleine celgrootte, uniforme verdeling en uitstekende esthetiek. Daarnaast hebben leveranciers van PP-hars, zoals SABIC en Asahi Kasei Plastics, soorten geïntroduceerd met een superieure smeltsterkte, specifiek voor geëxtrudeerde of gegoten PP-schuimstructuren, evenals speciale versterkte verbindingen die speciaal geschikt zijn voor schuimen. Bronnen bij een andere toonaangevende leverancier van PP-hars, Borealis, merkten op dat het bedrijf zich inzet voor het ondersteunen van de verdere ontwikkeling van de markt voor geëxtrudeerd schuim door middel van Daploy (High Melt Strength) HMS-PP-producten en door het aanbieden van PP-schuimoplossingen. Het bedrijf was een pionier in het commercieel tot stand brengen van PP met hoge smeltsterkte, specifiek gericht op de ontwikkeling van de PP-schuimmarkt.

Een studie uit 2018 van marktonderzoeksbureau Markets &Markets voorspelde dat de wereldwijde markt voor geëxtrudeerd PP-schuim tot 2023 jaarlijks met bijna 7% zal groeien. Bronnen bij SABIC's wereldwijde Foam &Lightweight-bedrijf merkten op dat hun ultrasmeltsterke PP is ontwikkeld om de extrusie te ondersteunen proces in de automobielindustrie, constructie en verpakking, maar ze zien kansen in nieuwe injectie- en blaasgegoten toepassingen waar een laag gewicht en duurzaamheid geboden zijn.

"Nieuwe wetgeving voor verpakkingen is ook een belangrijke groeimotor om huidige oplossingen te vervangen door schuim op basis van PP", merkt een bron op. Craig Sibol, productmanager voor de additievenactiviteiten van Avient, zegt dat zijn bedrijf de groei van schuim-PP met lage dubbele cijfers ziet, maar vooral in spuitgieten. "Problemen met de levering van PP hebben meer invloed op toepassingen van schuimextrusie in sectoren zoals de bouw en constructie, dus de groei is daar beperkt."

Todd Glogovsky, uitvoerend v.p. van verkoop en technologie bij Asahi Kasei Plastics North America, verwoordt het als volgt:“Schuimen en dunwandig worden continu geëvalueerd om de kosten, het gewicht en de efficiëntie van de productiecyclus te verbeteren. Klanten zullen altijd alle opties evalueren om gewicht te verminderen. Lichtgewichtopties worden voortdurend tegen elkaar beoordeeld, en de optie met de grootste impact op kostenbesparingen en prestatie-upgrades zal worden geselecteerd.”

Nick Sotos, president van iD Additives, merkt op:“Toen de prijzen van PP dit jaar begonnen te stijgen, kregen we verzoeken om monsters van onze schuimmiddelen. Er was zoveel activiteit dat we besloten om een ​​Zoom-chat te houden genaamd 'Foam It or Fill It' om mensen te vertellen over manieren om de stijgende harskosten te helpen verminderen. Dat gaat terug tot toen ik iD Additives begon en Ron Bishop inhuurde, die me vertelde dat er twee manieren zijn om kosten te besparen:'Je kunt het schuimen of vullen.'”

Trexel-president Brian Bechard merkt op dat zijn bedrijf nog geen significant bewijs heeft gezien van stijgende PP-prijzen die vervormers tot schuimvorming leiden, omdat het met MuCell, en in mindere mate met CFA, veel tijd en toewijding kost om een ​​commercieel succes te realiseren door een geschuimd onderdeel te produceren . “Delen die in massieve vorm zijn gegoten, moeten opnieuw worden gekwalificeerd wanneer ze worden geschuimd. Vaak vereist dit enige aanpassing van het ontwerp van onderdelen om de fysieke eigenschappen aan de vereisten te laten voldoen”, zegt Bechard. “Met MuCell is er ook de inkoop of modificatie van apparatuur. Dit zijn meestal niet de voor de hand liggende oplossingen voor schommelingen in de harsprijs op korte termijn. Als de harsprijzen stijgen en de algemene consensus is dat ze zullen blijven stijgen, dan wordt de economie van schuimen aantrekkelijker, en dit zal natuurlijk meer klanten naar ons lokken.”

De met SPE Automotive bekroonde instrumentenpaneeldrager is gemaakt met SABIC's lang glazen Stamax PP en een schuimproces met core-back-technologie om het gewicht met 15% te verminderen.

Trends in de auto-industrie

Bronnen bij SABIC's wereldwijde autobedrijf merken op dat geschuimde PP-compounds al bijna twee decennia in de auto-industrie worden gebruikt om het gewicht van onderdelen te verminderen, zowel door het schuimen zelf als door de mogelijkheid om dunnere onderdelen te maken. Als actieve speler op dit gebied won SABIC in 2017 een SPE Automotive Innovation Award voor de instrumentenpaneeldrager (IP) van de Mini Countryman 2017, die gebruikmaakte van SABIC's Stamax PP-compound met lang glas en een schuimproces met core-back-technologie om het gewicht met ongeveer 15% verminderen ten opzichte van het niet-geschuimde deel.

Maar tot voor kort waren toepassingen van geschuimd PP voornamelijk beperkt tot structurele, niet-zichtbare toepassingen vanwege de slechte oppervlaktekwaliteit, aldus het SABIC-team. De vraag naar lichtgewicht, esthetische interieuronderdelen, plus een sterke interesse in het verminderen van cyclustijden, materiaalgebruik en kosten, leidden tot inspanningen om de volgende generatie PP-schuimmaterialen te ontwikkelen met een hoogwaardigere oppervlakteafwerking. Lichtgewicht in esthetische onderdelen van het auto-interieur maakt deel uit van de megatrend om het brandstofverbruik en de emissies te verminderen.

Een bron bij SABIC Automotive zei:"De sterke toename van de productie van elektrische voertuigen draagt ​​bij aan deze trend, aangezien het gewicht van elektrische voertuigen gekoppeld is aan efficiëntie en actieradius. Geschuimde PP-compounds kunnen een belangrijke bijdrage leveren en kunnen helpen bij het realiseren van toepassingen met een lagere dichtheid die 8% tot 10% lichter zijn. Bovendien kan de hogere stroom van geschuimd PP dunnere onderdelen en meer ontwerpvrijheid mogelijk maken, waardoor het gewicht nog meer kan worden verlaagd.” SABIC schat dat deze factoren samen het gewicht van het onderdeel met 20% tot 25% kunnen verminderen in vergelijking met een niet-geschuimd onderdeel.

In de afgelopen jaren heeft SABIC zich gericht op het produceren van een portfolio van schuimbare PP-compounds die kunnen bijdragen aan gewichtsbesparing en tegelijkertijd een uitstekende esthetiek van het oppervlak opleveren. Een belangrijke verbetering is het minimaliseren van oppervlaktestrepen en defecten en een tweede is de mogelijke vermijding van verzakkingen, zelfs in dunwandige onderdelen. Doorgaans zijn interieuronderdelen ontworpen met wanden tot 3 mm dik, niet voor structurele of stijfheidsdoeleinden, maar omdat dikkere wanden de kans op gootstenen verkleinen. Schuimen creëert voldoende interne druk in het gegoten onderdeel om overmatige krimp te compenseren en verzakkingen te verminderen. Volgens het SABIC Automotive-team zijn geoptimaliseerd ontwerp en verwerking essentieel om de volledige waarde van PP-schuimmaterialen te benutten, inclusief maximale gewichtsvermindering. Hun volgende stap is om de esthetiek van de technologie verder te verbeteren voor gebruik in buitentoepassingen.

Na aanzienlijke ervaring in de sector met MuCell-schuimvorming van gevuld PP voor auto-onderdelen zoals IP's, deurpanelen en underhood-behuizingen/-afdekkingen, zegt Trexel's Bechard dat er nu een verhoogde activiteit is in het schuimen van ongevulde PP voor automotive en verpakking. In het interieur zichtbare auto-onderdelen is een markt waar Trexel's TecoCell CFA is erkend voor het produceren van uitstekende oppervlakteafwerkingen door middel van chemisch schuimen. "We hebben verschillende zichtbare auto-interieuronderdelen van klasse A die binnenkort in de handel zullen worden gebracht met TecoCell, aangezien deze CFA vrij uniek is in zijn vermogen om een ​​oppervlakteafwerking van klasse A te bieden."

Hoewel geschuimd PP voornamelijk is gebruikt in niet-klasse A, niet-structurele gebieden, zoals componenten onder de motorkap zoals batterijbases en deksels, zegt Glogovsky dat Asahi Kasei Plastics ernaar streeft uit te breiden naar semi-structurele toepassingen. Een mogelijk toekomstig voorbeeld daarvan zijn vloerconsoles, merkt hij op. Sommige bestaande toepassingen omvatten kaartvakken, hemelbekleding en enkele lagere delen van de interieurafwerking.”

Bronnen bij Borealis wijzen erop dat het hele assortiment van Daploy HMS-PP vertakte materialen met lange ketens zijn die een hoge smeltsterkte en rekbaarheid in de smeltfase combineren. Bovendien kunnen deze materialen worden gemengd met het volledige assortiment standaard PP-extrusiekwaliteiten en andere op polyolefine gebaseerde materialen. Als zodanig bieden ze de mogelijkheid om de schuimeigenschappen op grote schaal aan te passen om te voldoen aan de specifieke eisen van eindgebruikstoepassingen in de automobielindustrie, verpakkingen, en de bouw en constructie.

Sibol van Avient merkt op dat het auto-potentieel voor PP-schuim sterk blijft vanwege de focus op lichtgewicht maken, en nog meer nu CAFE-normen op de agenda staan ​​van de huidige Amerikaanse regering. Transportsegmenten buiten de automobielsector laten ook een goede groei zien. De meeste toepassingen van geschuimd PP waarop Avient zich heeft gericht, zijn spuitgieten, zoals grote auto-onderdelen en bepaalde verpakkingstoepassingen. Toch worden de CFA's ervan gebruikt als lichtgewicht middel bij spuitgieten en als kiemvormer bij extrusie met directe gasinjectie, om een ​​fijnere schuimstructuur te creëren.

Het tweede beoogde groeigebied van Trexel voor ongevulde PP zijn dunwandige verpakkingstoepassingen, aangezien MuCell het vermogen van het materiaal om vrij te stromen verbetert en dunnere onderdelen die op dezelfde pers zijn gegoten, te vullen.

Groei in verpakkingen

Het tweede beoogde groeigebied van Trexel voor ongevulde PP is dunwandige verpakkingstoepassingen zoals containers, kopjes, kommen, deksels en tuiten. Bechard zegt:"Met MuCell verbeteren we het vermogen van het materiaal om vrij te stromen, en dit maakt het mogelijk om dunnere onderdelen te vormen op hetzelfde formaat apparatuur. We werken nauw samen met verschillende merkeigenaren en grote verpakkingsvormers om met deze technologie commerciële producten op de markt te brengen.” Hij merkte op dat bij de laatste Chinaplas, de Chinese injectiemachinebouwer Yizumi (moedermaatschappij van Yizumi HPM in de VS) MuCell gebruikte om een ​​kom te vormen die een gewichtsvermindering van 5%, 15% lagere injectiedruk en 20% reductie van het klemtonnage bereikte ten opzichte van solide vorm. Vergelijkbare resultaten werden behaald met een botercontainer op de laatste K show.

Bronnen bij SABIC's Foam &Lightweight-activiteiten zien een toenemende vraag naar geschuimde PP in herbruikbare dozen en pallets voor e-commerce, voedselverpakkingen en beschermende verpakkingen. SABIC lanceerde eind 2017 zijn PP-UMS (ultra-melt-strength) materiaal. Een teambron zei:“Het ontwikkelen van de markt en de toepassingen kost tijd. Vooral in de schuimindustrie, die nogal conservatief kan zijn. Sindsdien is er sprake van groei, maar die kreeg in 2020 zeker een boost en zet zich in 2021 nog steeds voort.”

Sotos van iD Additives zegt dat een grote geschuimde PP-markt voor zijn bedrijf industriële verpakkingen zoals gaylords en pallets zijn.

Asahi Kasei's Glogovsky ziet potentieel voor uitbreiding naar de verpakkingsmarkt, met name voor stuwmateriaal vanwege de dikke wanden, waardoor er ruimte is voor verbetering van de cyclustijd. “Voor onderdelen met een dikke doorsnede is het vormproces erg lang vanwege de afkoeltijd die nodig is om de warmte af te voeren. Bij schuimen zal de koeltijd korter zijn omdat de materiaalmassa wordt verminderd. Dit kan 5% tot 35% aan cyclustijd besparen.”

Borealis-bronnen merken op dat Daploy HMS-PP-harsen en hun mengsels niet verknoopt zijn. Dit betekent dat de resulterende geëxtrudeerde PP-schuimen volledig recyclebaar zijn, een steeds belangrijker factor in het verpakkings- en andere industriële segment van de kunststofindustrie.

Ron Bishop (r.) van iD Additives en een giettechnicus onderzoeken schuim gemaakt met nieuwe Micro Fine Cell CFA.

Bouw/constructie en andere toepassingen

Sotos ziet plastic hout als een voor de hand liggende kandidaat voor PP-schuim, maar zijn bedrijf heeft ook wat werk verricht aan onderdelen voor dakbedekking en andere gerelateerde toepassingen, zoals gereedschapskisten en niveaus voor de bouw.

Structureel schuim en geprefabriceerde bouwcomponenten zoals isolatie voor huizen, leidingen en ondervloeren, zijn toepassingen die worden nagestreefd door het Foam &Lightweight-team van SABIC. Asahi Kasei's Glogovsky ziet lichtgewicht niet als een cruciale factor in deze markt, behalve dat het de verzendkosten beïnvloedt. "Als toepassingen worden uitgebreid naar de bouw- en constructiemarkten, zal de redenering hoogstwaarschijnlijk zijn voor kostenreductie als gevolg van een lager materiaalgebruik en een lagere cyclustijd."

Ondertussen beschouwt Glogovsky toepassingen voor consumenten en gezondheidszorg als mogelijkheden voor schuim-PP per geval, afhankelijk van de mogelijkheid van verbetering van de cyclustijd. Bechard merkt op dat Trexel samenwerkt met een groot bedrijf in huishoudelijke producten dat het gebruik van TecoCell CFA van het bedrijf onderzoekt om de kosten en het harsverbruik in zijn productlijn te verminderen. En ID Additives heeft met een aantal bedrijven samengewerkt aan consumentengoederen zoals hangers van geschuimd PP-plastic. En nichetoepassingen zoals schoenen worden genoemd door het Foam &Lightweight-team van SABIC.

Asahi Kasei's Thermylene korte glasversterkte, chemisch gekoppelde PP is gebruikt in geschuimde zonnedakmodules om ongeschuimd lang glas/PP te vervangen. (Foto:SPE Automotive)versterkte PP.

Laatste ontwikkelingen

Het automobielteam van SABIC zal begin 2022 een nieuwe portfolio van geschuimde PP-compounds voor esthetische auto-interieurtoepassingen lanceren. Drie initiële compounds zouden een verbeterde oppervlakteafwerking voor dergelijke onderdelen laten zien.

Asahi Kasei heeft materialen ontwikkeld voor schuimen die zorgen voor verbeterde cosmetica en lichtgewicht. Deze technologieën omvatten Thermyleen kortglasversterkt, chemisch gekoppeld PP, dat is gebruikt in geschuimde zonnedakmodules, waar het duurdere niet-geschuimde PP met lang glas kon vervangen, en wordt aangeprezen vanwege het leveren van goede cosmetica.

Sotos van iD Additives zegt dat de lancering van zijn Micro Fine Cell CFA's een game changer is geweest voor het bedrijf, omdat het zich heeft kunnen richten op toepassingen met dunnere muren.

In dezelfde geest lanceerde Trexel op NPE2018 het MuCell P-Series gassysteem dat speciaal is ontworpen voor snel-cyclische, dunwandige verpakkingsoplossingen. Volgens Bechard:"Sindsdien hebben we onze flexibiliteit bij het implementeren van MuCell aanzienlijk vergroot door het aanbieden van schroefpuntdosering, waarbij we de gasintroductie en -menging in een korter gebied beheren, waardoor we standaard schroeven kunnen uitrusten met een speciale schroefpunt voor gas doseren. Dit is met name belangrijk voor verpakkingstoepassingen waar de output van het grootste belang is, aangezien dit ontwerp de plastificerende output niet beperkt zoals ons traditionele schroefontwerp doet.”

Trexel heeft onlangs ook zijn op satellieten gebaseerde doseerunits aangevuld met een goedkope, krachtige lijn van centrale gasboosters, die gieters die meerdere machines zullen laten draaien met MuCell een flexibele en goedkope implementatieoptie bieden.

Volgens Sibol kan Avients uitgebreide portfolio van vloeibare en vaste CFA's en testondersteuning klanten helpen die de grenzen van lichtgewicht willen verleggen met behoud van mechanische eigenschappen, met name voor technische onderdelen. “Kleinere celgroottes en het vermogen om de esthetiek van het oppervlak te manipuleren zijn belangrijk, maar we kunnen ook oppervlakte-eigenschappen manipuleren. We hebben een technologie ontwikkeld die lak- en/of decalstickers mogelijk maakt zonder corona of andere oppervlaktebehandeling. Uit klantonderzoek blijkt dat we ook de efficiëntie kunnen verbeteren. Zo is vloeibare CFA die in de pers wordt gepompt soms logischer op basis van de operaties en investeringen die nodig zijn om solide CFA's te implementeren."

Het Foam &Lightweight-team van SABIC prijst zijn PP-UMS aan als een schuimbare PP van de volgende generatie met hoge smeltsterkte. Met een smeltsterkte van meer dan 65 cN is aangetoond dat het een goede schuimbaarheid creëert, vooral als hoge expansieverhoudingen vereist zijn. Het wordt commercieel toegepast in auto's, verpakkingen (inclusief voedselcontainers als alternatief voor EPS) en de bouw/constructie.

SABIC's PP-UMS kan geschuimde voedselcontainers produceren die EPS kunnen vervangen.