TY - THES

T1 - Verbesserung von Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Eigenschaften von HDPE durch mikro- und nanoskalige Füllstoffe

AU - Stieger, Sebastian

N1 - gesperrt bis 13-02-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Kunststoffe sind im Vergleich zu metallischen Werkstoffen auf Grund fehlender freier Elektronen typischerweise schlechte Wärmeleiter. Für viele Anwendungen bringt eine Erhöhung der Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit deutliche Verbesserungen im Hinblick auf den Herstellprozess oder in der Funktionsweise von Kunststoffbauteilen mit sich. Der effektivste Weg Kunststoffe thermisch zu modifizieren, ist die Beimengung von Füllstoffen, deren thermische Leitfähigkeit höher ist als jene des Polymers. Ziel dieser Masterarbeit war es den Herstellprozess von Kunststoffbauteilen, welche im Blasform- oder Spritzgießprozess gefertigt werden, in wirtschaftlicher Hinsicht zu optimieren. Durch die Beimengung eines optimalen Füllstoffsystems zu einem vorgegebenen Basispolymer (Polyethylen hoher Dichte, HDPE) sollte die Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit in solch einem Ausmaß erhöht werden, dass die benötigte Kühlzeit bei der Produktion signifikant reduziert werden kann. Die Auswahl der Füllstoffe musste neben technischen vor allem unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten (möglichst geringer Rohstoffpreis) erfolgen. Als weitere Vorgabe durfte ein Füllstoffanteil von 30 Vol.-% nicht überschritten werden. Zusätzlich waren die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch den Zusatz der Füllstoffe empirisch zu untersuchen. Es wurde ein dreistufiger Versuchsplan erstellt, wobei jede Stufe auf den Erkenntnissen der vorhergehenden aufbaut. In der ersten Versuchsreihe wurde mit Cristobalit (SiO2) und Montmorillonit (Schichtsilikat) der Einfluss des Füllstoffgehalts, der Compatibilizermenge sowie unterschiedlicher Compatibilizertypen auf die thermischen (Wärmeleitfähigkeit) und mechanischen (E-Modul, Zugfestigkeit) Eigenschaften untersucht. Hier konnte eine deutliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Füllstoffanteil festgestellt werden. Da weder die Compatibilizermenge noch die untersuchten Compatibilizertypen einen signifikanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit aufwiesen, wurde der Verzicht auf Compatibilizer beschlossen und der Füllstoffanteil bei der maximal vorgegebenen Grenze von 30 Vol.-% festgesetzt. In der zweiten Versuchsreihe wurde ein Screening von 12 verschiedenen Füllstofftypen durchgeführt. Neben 2-phasigen Systemen (Polymer + Füllstoff) wurden auch 3-phasige Systeme (Polymer + Füllstoff 1+ Füllstoff 2) getestet. Auf Grund der gemessenen thermischen (Wärme-, Temperaturleitfähigkeit) und mechanischen (E-Modul, Zugfestigkeit) sowie der füllstoffspezifischen Eigenschaften (Preis, Mohs-Härte, Dichte...) wurden drei Füllstoffe ausgewählt, die den Anforderungen am besten entsprachen. Diese drei Füllstoffe wurden in der dritten Versuchsreihe mit dem Basismaterial compoundiert, an einer Spritzgießmaschine verarbeitet und wiederum thermischen und mechanischen Prüfungen unterzogen. Obwohl anisotrope Füllstoffe die Wärmeleitfähigkeit zumeist mehr erhöhen (0,47 W/mK bis 4,5 W/mK) als isotrope Füllstoffe (0,77 W/mK bis 1,2 W/mK), zeigen sie eine schlechtere Kühlwirkung als erwartet. Dies ist auf Orientierungen im Spritzgießprozess zurück zu führen. Ferner steigen mit dem Füllstoffgehalt die Steifigkeit und die Sprödigkeit der Compounds.

AB - Kunststoffe sind im Vergleich zu metallischen Werkstoffen auf Grund fehlender freier Elektronen typischerweise schlechte Wärmeleiter. Für viele Anwendungen bringt eine Erhöhung der Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit deutliche Verbesserungen im Hinblick auf den Herstellprozess oder in der Funktionsweise von Kunststoffbauteilen mit sich. Der effektivste Weg Kunststoffe thermisch zu modifizieren, ist die Beimengung von Füllstoffen, deren thermische Leitfähigkeit höher ist als jene des Polymers. Ziel dieser Masterarbeit war es den Herstellprozess von Kunststoffbauteilen, welche im Blasform- oder Spritzgießprozess gefertigt werden, in wirtschaftlicher Hinsicht zu optimieren. Durch die Beimengung eines optimalen Füllstoffsystems zu einem vorgegebenen Basispolymer (Polyethylen hoher Dichte, HDPE) sollte die Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit in solch einem Ausmaß erhöht werden, dass die benötigte Kühlzeit bei der Produktion signifikant reduziert werden kann. Die Auswahl der Füllstoffe musste neben technischen vor allem unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten (möglichst geringer Rohstoffpreis) erfolgen. Als weitere Vorgabe durfte ein Füllstoffanteil von 30 Vol.-% nicht überschritten werden. Zusätzlich waren die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch den Zusatz der Füllstoffe empirisch zu untersuchen. Es wurde ein dreistufiger Versuchsplan erstellt, wobei jede Stufe auf den Erkenntnissen der vorhergehenden aufbaut. In der ersten Versuchsreihe wurde mit Cristobalit (SiO2) und Montmorillonit (Schichtsilikat) der Einfluss des Füllstoffgehalts, der Compatibilizermenge sowie unterschiedlicher Compatibilizertypen auf die thermischen (Wärmeleitfähigkeit) und mechanischen (E-Modul, Zugfestigkeit) Eigenschaften untersucht. Hier konnte eine deutliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Füllstoffanteil festgestellt werden. Da weder die Compatibilizermenge noch die untersuchten Compatibilizertypen einen signifikanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit aufwiesen, wurde der Verzicht auf Compatibilizer beschlossen und der Füllstoffanteil bei der maximal vorgegebenen Grenze von 30 Vol.-% festgesetzt. In der zweiten Versuchsreihe wurde ein Screening von 12 verschiedenen Füllstofftypen durchgeführt. Neben 2-phasigen Systemen (Polymer + Füllstoff) wurden auch 3-phasige Systeme (Polymer + Füllstoff 1+ Füllstoff 2) getestet. Auf Grund der gemessenen thermischen (Wärme-, Temperaturleitfähigkeit) und mechanischen (E-Modul, Zugfestigkeit) sowie der füllstoffspezifischen Eigenschaften (Preis, Mohs-Härte, Dichte...) wurden drei Füllstoffe ausgewählt, die den Anforderungen am besten entsprachen. Diese drei Füllstoffe wurden in der dritten Versuchsreihe mit dem Basismaterial compoundiert, an einer Spritzgießmaschine verarbeitet und wiederum thermischen und mechanischen Prüfungen unterzogen. Obwohl anisotrope Füllstoffe die Wärmeleitfähigkeit zumeist mehr erhöhen (0,47 W/mK bis 4,5 W/mK) als isotrope Füllstoffe (0,77 W/mK bis 1,2 W/mK), zeigen sie eine schlechtere Kühlwirkung als erwartet. Dies ist auf Orientierungen im Spritzgießprozess zurück zu führen. Ferner steigen mit dem Füllstoffgehalt die Steifigkeit und die Sprödigkeit der Compounds.

KW - thermal conductivity

KW - injection molding

KW - fillers

KW - compounding

KW - Wärmeleitfähigkeit

KW - Spritzgießen

KW - Füllstoffe

KW - Compoundieren

M3 - Masterarbeit

ER -