Startseite > Lernen > Knowledge Center > Jenseits der Dichte: Charakterisierung des Gehalts an offenen und geschlossenen Zellen in Hartschaumstoffen

Jenseits der Dichte: Charakterisierung des Gehalts an offenen und geschlossenen Zellen in Hartschaumstoffen

2025-10-21Application Note

Zusammenfassung: Ethylen-Vinylacetat- (EVA) und expandierte Polyethylen- (EPE) Schaumstoffe werden aufgrund ihrer günstigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften häufig in Verpackungen, Wärmedämmungen und akustischen Anwendungen eingesetzt. Neben den optischen und strukturellen Eigenschaften hat das Verhältnis von offenen und geschlossenen Zellen innerhalb des Schaums einen erheblichen Einfluss auf wichtige Leistungskennzahlen wie Feuchtigkeitsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Dämpfungsverhalten und Schalldämpfung. Dieses Anwendungsbeispiel beschreibt eine auf einem Gaspyknometer basierende Methode zur Quantifizierung des Anteils offener und geschlossener Zellen in EVA- und EPE-Schäumen. Die genaue Messung dieser Parameter ermöglicht eine zuverlässigere Vorhersage der Materialeigenschaften und unterstützt eine fundierte Materialauswahl für spezifische Anwendungsanforderungen.

Stichworte: Hartschaum, offenzelliger Anteil, geschlossenzelliger Anteil, Gaspyknometer, ASTM D6226, ISO 4590

Produkt	BetterPyc 380
Industrie	Baustoffe, Chemie, Polymere und Kunststoffe
Probe	EVA-Schaum, EPE-Schaum
Messmethode	Dichte
Messtechnik	Pulvercharakterisierung, Gasverdrängungsmethode

Einleitung

Hartschäume werden aufgrund ihrer leichten Struktur und vielseitigen Leistungsmerkmale häufig in Branchen wie dem Bauwesen, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie der Verpackungsindustrie eingesetzt. Während die Dichte traditionell das wichtigste Kriterium für die Bewertung der Schaumqualität war, liefert die Analyse der Zellstruktur umfassendere Einblicke in die funktionellen Eigenschaften des Materials.

Bei Hartschaumstoffen bezieht sich der Anteil offener Zellen auf miteinander verbundene Poren, die den Durchgang von Gasen und Flüssigkeiten ermöglichen, während der Anteil geschlossener Zellen sich auf isolierte Poren bezieht, die von der Oberfläche abgeschlossen sind, was zu einer geringeren Durchlässigkeit führt. Offenzellige Schaumstoffe bieten im Allgemeinen eine höhere Atmungsaktivität und Wasseraufnahme, während geschlossenzellige Schaumstoffe eine verbesserte Wasserdichtigkeit und Isolierung bieten.

Die genaue Quantifizierung des Anteils offener und geschlossener Zellen ist für die Bewertung wichtiger Leistungsmerkmale wie mechanische Integrität, thermische Effizienz und langfristige Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung. Diese Messungen spielen eine wichtige Rolle bei der Qualitätssicherung, der Materialoptimierung und der Prozessoptimierung, um sicherzustellen, dass die Schaumstruktur den funktionalen Anforderungen der vorgesehenen Anwendung entspricht.

Abbildung 1. Struktur von Hartschaumstoff

Messgerät und Probenbeschreibung

Die Messungen wurden mit dem Gaspyknometer BetterPyc 380 durchgeführt, einem Präzisionsinstrument zur genauen Bestimmung der wahren Dichte und der damit verbundenen volumetrischen Eigenschaften. Der Schwerpunkt der Analyse lag auf der Quantifizierung des Gehalts an offenen und geschlossenen Zellen in EVA- und EPE-Schaumstoffproben. Dies wurde durch die Zusammenführung von Daten zu geometrischem Volumen, Masse und spezifischem Gewicht erreicht, um den Anteil der miteinander verbundenen „offenen“ gegenüber den versiegelten „geschlossenen“ Zellen innerhalb der Schaumstoffstruktur zu berechnen.

BetterPyc 380 Foam sample a & b

Bestimmung des Anteils offener Zellen

Das Gaspyknometer entspricht den Normen ASTM D6226 und ISO 4590 und bietet eine zuverlässige Methode zur effizienten Messung des Offenzellanteils in Hartschaumstoffen. Das Prüfverfahren läuft wie folgt ab:

1. Schneiden Sie mit einem Messer und einem Lineal zwei 2,5 cm³ Würfel aus einer Schaumprobe. Messen Sie das geometrische Volumen mit einer Schieblehre.

2. Legen Sie diese beiden Würfel in das Gaspyknometer und messen Sie das Verdrängungsvolumen der Probe (V_SPEC).

3. Entnehmen Sie die Würfel aus der Probenkammer und teilen Sie beide Würfel dreimal, sodass insgesamt 16 kleinere Schaumwürfel entstehen.

4. Legen Sie alle 16 Schaumproben in die Kammer und messen Sie das neue Verdräbgungsvolumen der Probe (VSPEC2).

Der Gehalt an offenen Zellen Ov wird mit den korrigierten Volumen vor und nach der Teilung der Probe berechnet:

wobei:
V = geometrisches Volumen des ursprünglichen Schaumwürfels
VSPEC = verdrängungsvolumen der beiden intakten Schaumwürfel
VSPEC2 = verdrängungsvolumen nach der Teilung in 16 kleinere Proben

Die Segmentierung der Schaumproben in kleinere Stücke hilft, Oberflächenluftinterferenzen zu eliminieren und die Gasdurchdringung während der Messung zu verbessern. Dieser Ansatz erhöht die Genauigkeit der korrigierten Volumenmessungen und führt zu präziseren Berechnungen des offenen Zellgehalts.

Bestimmung des geschlossenen Zellgehalts

Wenn die spezifische Dichte (sg) des Feststoffmaterials bekannt ist, kann der Prozentsatz des Volumens, das von den Zellwänden (Wv) und den geschlossenen Zellen (Cv) eingenommen wird, wie folgt berechnet werden:

Where:
m = masse der Schaumprobe (g)
sg = spezifische Dichte des Feststoffmaterials (g/cm³)
V = geometrisches Volumen der Schaumprobe (cm³)

Diese Berechnungen geben Aufschluss über die innere Struktur des Schaums und ermöglichen eine Bewertung seiner Dichteverteilung und der Integrität der geschlossenen Zellen. Die genaue Bestimmung von Wv und Cv erleichtert die Vorhersage der Eigenschaften für Anwendungen, die Feuchtigkeitsbeständigkeit, Wärmedämmung und mechanische Haltbarkeit erfordern.

Datenanalyse und Vergleich

Tabelle 1 fasst die während der Prüfung verwendeten Messbedingungen zusammen, während Tabelle 2 die grundlegenden physikalischen Parameter der EVA- und EPE-Schaumstoffproben darstellt – darunter geometrisches Volumen, Masse und spezifisches Gewicht –, die als Eingabedaten für die anschließende Analyse mit dem BetterPyc 380 dienen.

Tabelle 1. Messbedingungen

Parameter	Value	Parameter	Value
Temperatur	25℃	Musterbecher	100 mL
Gasart	Nitrogen	Gleichgewicht	0.01 psig/min
Spülzyklus	10	Spüldruck	3 psig
Analysezyklus	3	Analysedruck	3 psig

Tabelle 2. Informationen zu den Schaumstoffproben

Probe	Geometric Volume (cm3)	Mass(g)	Specific Gravity
EVA-Schaumstoff	30.9850	0.3820	0.92
EPE-Schaumstoff	52.4031	0.5115	0.95

Wie in Tabelle 3 dargestellt, wurden die offenen und geschlossenen Zellanteile von EVA- und EPE-Schäumen mithilfe der Gasverdrängungsmethode bestimmt, einer effizienten und zuverlässigen Technik zur Charakterisierung von Schaumzellstrukturen. Der EPE-Schaumstoff wies einen deutlich höheren offenen Zellanteil (96,33 %) und einen geringeren geschlossenen Zellanteil (2,64 %) auf als der EVA-Schaumstoff (88,42 % bzw. 10,24 %), was darauf hindeutet, dass EPE eine porösere und durchlässigere innere Struktur besitzt.

Die Quantifizierung des Gehalts an offenen und geschlossenen Zellen in EVA- und EPE-Schäumen liefert wertvolle Erkenntnisse über ihre funktionellen Eigenschaften. Materialien mit einem höheren Gehalt an offenen Zellen, wie beispielsweise EPE, ermöglichen im Allgemeinen eine bessere Luftzirkulation, Flexibilität und Schallabsorption. Im Gegensatz dazu bieten Materialien mit einem höheren Gehalt an geschlossenen Zellen, wie beispielsweise EVA, eine hervorragende Luftdichtigkeit, mechanische Festigkeit und Wärmedämmung. Diese strukturellen Unterschiede wirken sich direkt auf die Leistungsfähigkeit und Eignung von Schaumstoffen für bestimmte Anwendungen aus.

Darüber hinaus zeigen die niedrigen Standardabweichungen (≤ 0,08 %), die bei allen Messungen beobachtet wurden, die ausgezeichnete Wiederholbarkeit und Präzision des BetterPyc 380, was seine Zuverlässigkeit für die genaue Charakterisierung von Schäumen bestätigt.

Tabelle 3. Ergebnisse der Zellgehaltsmessungen an Schaumstoffproben

Probe	NO.	Open Cell Content (%)	Std.Dev. (%)	Closed Cell Content (%)	Std.Dev. (%)
EVA-Schaumstoff	1	88.35	0.06	10.32	0.06
	2	88.42		10.24
	3	88.50		10.16
	Average	88.42		10.24
EPE-Schaumstoff	1	96.44	0.08	2.53	0.08
	2	96.32		2.65
	3	96.23		2.74
	Average	96.33		2.64

Schlussfolgerung

Diese Studie zeigt, dass das Gas-Pyknometer BetterPyc 380 eine zuverlässige und standardisierte Methode zur Charakterisierung des Gehalts an offenen und geschlossenen Zellen in Hartschaumstoffen gemäß ASTM D6226 und ISO 4590 bietet. Die quantitative Analyse von EVA- und EPE-Schaumstoffen ergab deutliche strukturelle Unterschiede: EPE weist überwiegend eine offene Zellstruktur auf, während EVA einen höheren Gehalt an geschlossenen Zellen aufweist – beides trägt zu einzigartigen Vorteilen der jeweiligen Eigenschften bei.

Diese Messungen liefern Erkenntnisse, die über herkömmliche Dichtemessungen hinausgehen, und ermöglichen ein tieferes Verständnis der Porenstruktur und ihres Einflusses auf funktionelle Eigenschaften wie Durchlässigkeit, Isolierung und mechanische Festigkeit. Durch die Einbindung der Analyse offener und geschlossener Zellen in die routinemäßige Qualitätskontrolle und in Forschungs- und Entwicklungsabläufe können Hersteller Rezepturen optimieren, die Produkteigenschaften verbessern und die Konsistenz über alle Produktionschargen hinweg sicherstellen.