TY - THES

T1 - Materialoptimierung von schichtsilikatverstärkten Polypropylen-Nanocompounds mittels Einsatz von dehnströmungserzeugenden Düsen

AU - Neunhäuserer, Andreas

N1 - gesperrt bis 18-09-2017

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - In den letzten Jahren werden nanoverstärkte Kunststoffe vermehrt eingesetzt, um die mechanischen, thermischen und rheologischen Materialeigenschaften zu verbessern. Bei Nanocompounds, welche auf natürlich vorkommenden Schichtsilikaten basieren, ist bereits mit geringen Füllstoffgehalten ein Anstieg des E-Moduls zu beobachten. Die hierfür entscheidenden Kriterien sind die Faktoren Interkalierung und Exfolierung. Ziel dieser Arbeit war es, die Materialeigenschaften von schichtsilikatverstärktem Polypropylen durch Überlagerung der Scherströmung durch Dehnströmungen in optimierten Düsengeometrien noch zusätzlich zu verbessern. Um die Einflüsse unterschiedlicher Düsengeometrien zu überprüfen, wurden jeweils fünf hyperbolische und fünf konische Düsen mit variabler Düsenlänge und variablem Austrittsradius gefertigt. Der Einfluss dieser Parameter wurde mit Hilfe eines vollfaktoriellen 2^3 Versuchsplans mit zwei Zentralpunkten überprüft. Die dritte Einflussgröße stellte die Einspritzgeschwindigkeit dar. Diese Vorgehensweise sollte Auskunft über den Einfluss der Dehnung, sowie der Dehn- und Schergeschwindigkeit auf den Elastiziätsmodul von Polymer Nanocomposites (PNCs) geben. Dieser Faktorenversuchsplan wurde für zwei PP-Typen mit unterschiedlichem Aufbau sowie Viskositätsniveau durchgeführt. Neben Zugprüfungen wurden zusätzliche Massetemperatur- und Druckmessungen durchgeführt. Der Einfluss der Dehnung und Dehngeschwindigkeit auf die Interkalierung und Exfolierung wurde mit SAXS-Messungen überprüft. Im Anschluss daran wurde, basierend auf den Ergebnissen der Zugprüfungen, ein flexibles Mehrfachdüsenkonzept, welches variabel in der Compoundierlinie oder im Spritzgießprozess einsetzbar ist, entwickelt. Die Ergebnisse der Zugprüfungen zeigten, dass der Elastizitätsmodul für das niedrigviskosere PP Homopolymer höhere Werte annahm und in einem größeren Ausmaß beeinflussbar war als für das höherviskose PP Block-Copolymer. Für das Homopolymer stellte sich heraus, dass die besten Ergebnisse mit einer hyperbolischen Düse (geringe Dehngeschwindigkeit und geringe Dehnung) erreicht wurden. Für das Block-Copolymer konnten nur weniger zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden. Dies könnte entweder der Wahl eines ungünstigen Prozessfensters für dieses Material geschuldet sein oder dem Viskositätsunterschied zwischen dem verwendeten Compatibilizer und dem Block-Copolymer. Die Druck und Temperaturmessungen verhielten sich für die hyperbolischen Düsen wie erwartet (höherer Druckverbrauch und Temperaturerhöhung bei langen Düsen mit kleinem Austrittsradius). Bei den konischen Düsen kam es zu teilweise unerwarteten Ergebnissen, welche aus Randwirbeln und damit verbundenen Totstellen bei konischen Düsen resultierten. In naher Zukunft sind weitere Arbeiten, insbesondere mit dem entwickelten flexiblen Mehrfachdüsenkonzept, geplant. Ebenso wird versucht, für das höherviskose Block-Copolymer ein stabiles Prozessfenster zu finden, indem die Verarbeitungs¬temperaturen gesenkt werden und das Material mittels Additiven hitzestabilisiert wird.

AB - In den letzten Jahren werden nanoverstärkte Kunststoffe vermehrt eingesetzt, um die mechanischen, thermischen und rheologischen Materialeigenschaften zu verbessern. Bei Nanocompounds, welche auf natürlich vorkommenden Schichtsilikaten basieren, ist bereits mit geringen Füllstoffgehalten ein Anstieg des E-Moduls zu beobachten. Die hierfür entscheidenden Kriterien sind die Faktoren Interkalierung und Exfolierung. Ziel dieser Arbeit war es, die Materialeigenschaften von schichtsilikatverstärktem Polypropylen durch Überlagerung der Scherströmung durch Dehnströmungen in optimierten Düsengeometrien noch zusätzlich zu verbessern. Um die Einflüsse unterschiedlicher Düsengeometrien zu überprüfen, wurden jeweils fünf hyperbolische und fünf konische Düsen mit variabler Düsenlänge und variablem Austrittsradius gefertigt. Der Einfluss dieser Parameter wurde mit Hilfe eines vollfaktoriellen 2^3 Versuchsplans mit zwei Zentralpunkten überprüft. Die dritte Einflussgröße stellte die Einspritzgeschwindigkeit dar. Diese Vorgehensweise sollte Auskunft über den Einfluss der Dehnung, sowie der Dehn- und Schergeschwindigkeit auf den Elastiziätsmodul von Polymer Nanocomposites (PNCs) geben. Dieser Faktorenversuchsplan wurde für zwei PP-Typen mit unterschiedlichem Aufbau sowie Viskositätsniveau durchgeführt. Neben Zugprüfungen wurden zusätzliche Massetemperatur- und Druckmessungen durchgeführt. Der Einfluss der Dehnung und Dehngeschwindigkeit auf die Interkalierung und Exfolierung wurde mit SAXS-Messungen überprüft. Im Anschluss daran wurde, basierend auf den Ergebnissen der Zugprüfungen, ein flexibles Mehrfachdüsenkonzept, welches variabel in der Compoundierlinie oder im Spritzgießprozess einsetzbar ist, entwickelt. Die Ergebnisse der Zugprüfungen zeigten, dass der Elastizitätsmodul für das niedrigviskosere PP Homopolymer höhere Werte annahm und in einem größeren Ausmaß beeinflussbar war als für das höherviskose PP Block-Copolymer. Für das Homopolymer stellte sich heraus, dass die besten Ergebnisse mit einer hyperbolischen Düse (geringe Dehngeschwindigkeit und geringe Dehnung) erreicht wurden. Für das Block-Copolymer konnten nur weniger zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden. Dies könnte entweder der Wahl eines ungünstigen Prozessfensters für dieses Material geschuldet sein oder dem Viskositätsunterschied zwischen dem verwendeten Compatibilizer und dem Block-Copolymer. Die Druck und Temperaturmessungen verhielten sich für die hyperbolischen Düsen wie erwartet (höherer Druckverbrauch und Temperaturerhöhung bei langen Düsen mit kleinem Austrittsradius). Bei den konischen Düsen kam es zu teilweise unerwarteten Ergebnissen, welche aus Randwirbeln und damit verbundenen Totstellen bei konischen Düsen resultierten. In naher Zukunft sind weitere Arbeiten, insbesondere mit dem entwickelten flexiblen Mehrfachdüsenkonzept, geplant. Ebenso wird versucht, für das höherviskose Block-Copolymer ein stabiles Prozessfenster zu finden, indem die Verarbeitungs¬temperaturen gesenkt werden und das Material mittels Additiven hitzestabilisiert wird.

KW - elongational viscosity

KW - nanocomposites

KW - layered silicates

KW - nano-reinforced polymers

KW - injection molding

KW - compounding

KW - Dehnviskosität

KW - Nanocompounds

KW - Schichtsilikat

KW - Nanofüllstoffe

KW - Spritzgießcompoundieren

KW - Spritzgießen

KW - Compoundieren

M3 - Masterarbeit

ER -