TY - THES

T1 - Charakterisierung und Einfluss der rheologischen Eigenschaften auf die Schaummorphologie physikalisch geschäumter Polyethylenmaterialformulierungen

AU - Uray, Anna

N1 - gesperrt bis 09-09-2019

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Durch das Schäumen von Kunststoffen können neben einer Gewichts- und Kostenreduktion auch einzigartige Produkteigenschaften realisiert werden. Um diese Eigenschaften zu erreichen, ist es wichtig den Nukleierungsmechanismus bestmöglich zu verstehen und dadurch die Nukleierungsrate gezielt beeinflussen zu können. Neue Erkenntnisse im Bereich der Nukleierungstheorie haben gezeigt, dass eingebrachte Deformationen, wie Scherung und Dehnung der Polymerschmelze, zu einer Erhöhung der Nukleierungsrate führen. Wesentlich ist dabei, dass diese Deformationen je nach Materialeigenschaften mehr oder weniger schnell relaxieren. Die Geschwindigkeit, mit der die Deformationen relaxieren, wird dabei durch die viskoelastischen Eigenschaften der Polymerschmelze bestimmt. Basierend darauf, war es das Ziel dieser Arbeit herauszufinden, inwieweit sich das Relaxationsverhalten bzw. die Relaxationszeit der Polymerschmelze auf die Schaummorphologie (mittlerer Zelldurchmesser, mittlere Zelldichte und Dichte) auswirkt. Um die rheologischen Eigenschaften über einen weiten Bereich zu variieren, wurden Materialformulierungen mit unterschiedlichen Anteilen von zwei Polymeren (ein verzweigtes und ein lineares Polyethylen) verwendet. Anhand einer Literaturrecherche wurden verschiedene Methoden gefunden, welche es ermöglichen das viskoelastische Verhalten der Schmelze zu bestimmen. Die rheologischen Untersuchungen haben gezeigt, dass sich der Kriech- und Entspannungstest am besten für die Bestimmung der Relaxationszeit eignet. Im nächsten Schritt wurden die Materialformulierungen mit drei verschiedenen Runddüsen geschäumt. Schon bei den Schäumversuchen hat sich gezeigt, dass das viskoelastische Verhalten der Polymerschmelze einen erheblichen Einfluss besitzt. Bei zwei Düsen kam es aufgrund der Geometrien und der damit verbundenen Strömungsbedingungen mit steigendem elastischem Anteil zu Fließinstabilitäten. Im letzten Schritt wurden die ermittelten Materialparameter mit den tatsächlichen Schaummorphologien verglichen. Die Untersuchungen ergaben, dass das viskoelastische Verhalten einen deutlichen Einfluss auf die Schaummorphologie besitzt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Erhöhung der Relaxationszeit zu einem weitestgehend linearen Anstieg der Zelldichte führt. Begrenzt wird dies jedoch nach oben hin durch das Auftreten von Fließinstabilitäten in Folge der nicht ausreichend relaxierten Deformationen. Somit müssen diese Erfahrungen auch in der Auslegung von Düsen für das physikalische Schäumen berücksichtigt werden.

AB - Durch das Schäumen von Kunststoffen können neben einer Gewichts- und Kostenreduktion auch einzigartige Produkteigenschaften realisiert werden. Um diese Eigenschaften zu erreichen, ist es wichtig den Nukleierungsmechanismus bestmöglich zu verstehen und dadurch die Nukleierungsrate gezielt beeinflussen zu können. Neue Erkenntnisse im Bereich der Nukleierungstheorie haben gezeigt, dass eingebrachte Deformationen, wie Scherung und Dehnung der Polymerschmelze, zu einer Erhöhung der Nukleierungsrate führen. Wesentlich ist dabei, dass diese Deformationen je nach Materialeigenschaften mehr oder weniger schnell relaxieren. Die Geschwindigkeit, mit der die Deformationen relaxieren, wird dabei durch die viskoelastischen Eigenschaften der Polymerschmelze bestimmt. Basierend darauf, war es das Ziel dieser Arbeit herauszufinden, inwieweit sich das Relaxationsverhalten bzw. die Relaxationszeit der Polymerschmelze auf die Schaummorphologie (mittlerer Zelldurchmesser, mittlere Zelldichte und Dichte) auswirkt. Um die rheologischen Eigenschaften über einen weiten Bereich zu variieren, wurden Materialformulierungen mit unterschiedlichen Anteilen von zwei Polymeren (ein verzweigtes und ein lineares Polyethylen) verwendet. Anhand einer Literaturrecherche wurden verschiedene Methoden gefunden, welche es ermöglichen das viskoelastische Verhalten der Schmelze zu bestimmen. Die rheologischen Untersuchungen haben gezeigt, dass sich der Kriech- und Entspannungstest am besten für die Bestimmung der Relaxationszeit eignet. Im nächsten Schritt wurden die Materialformulierungen mit drei verschiedenen Runddüsen geschäumt. Schon bei den Schäumversuchen hat sich gezeigt, dass das viskoelastische Verhalten der Polymerschmelze einen erheblichen Einfluss besitzt. Bei zwei Düsen kam es aufgrund der Geometrien und der damit verbundenen Strömungsbedingungen mit steigendem elastischem Anteil zu Fließinstabilitäten. Im letzten Schritt wurden die ermittelten Materialparameter mit den tatsächlichen Schaummorphologien verglichen. Die Untersuchungen ergaben, dass das viskoelastische Verhalten einen deutlichen Einfluss auf die Schaummorphologie besitzt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Erhöhung der Relaxationszeit zu einem weitestgehend linearen Anstieg der Zelldichte führt. Begrenzt wird dies jedoch nach oben hin durch das Auftreten von Fließinstabilitäten in Folge der nicht ausreichend relaxierten Deformationen. Somit müssen diese Erfahrungen auch in der Auslegung von Düsen für das physikalische Schäumen berücksichtigt werden.

KW - physical foaming

KW - nucleation rate

KW - nucleating mechanism

KW - relaxation

KW - viscoelastic properties

KW - relaxation behaviour

KW - relaxation time

KW - rheological studies

KW - physikalisches Schäumen

KW - Nukleierungsrate

KW - Nukleierungsmechanismus

KW - viskoelastisches Schmelzeverhalten

KW - Relaxation

KW - Relaxationszeit

KW - rheologische Untersuchungen

M3 - Masterarbeit

ER -