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T1 - Charakterisierung von Kunststoffen in Hinblick auf inline Qualitätskontrolle in Extrusionsprozessen mittels Nahinfrarotspektroskopie

AU - Witschnigg, Andreas

N1 - nicht gesperrt

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - In dieser Arbeit wurden die physikalischen und elektromagnetischen Hintergründe der Nahinfrarottechnologie inklusive Funktionsweise der Chemometrik, Aufbereitung der Spektraldaten und Beurteilung der chemometrischen Modelle hinsichtlich Güte und Ausreißern beleuchtet. Zusätzlich dazu wurde der jetzige Stand der Technik erläutert. Der zweite Teil der Arbeit bestand aus dem Bestimmen von Bestandteilen und Eigenschaften durch Korrelation mit Spektraldaten. Es wurden unterschiedliche Additive, die in halogenfreien Flammhemmersystemen Einsatz finden, untersucht. Diese Bestimmung basiert auf dem Stand der Technik wurde aber hinsichtlich der Anzahl an Bestandteilen erweitert. Außerdem wurden PVC Nanocomposites charakterisiert. Die chemometrischen Modelle aller hier untersuchten Additive zeigten sehr gute Gütekennzahlen, wodurch eine quantitative Charakterisierung in allen Fällen möglich war. Unterschiedliche mechanische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit, aber auch Struktureigenschaften wie interpartikulärer Abstand oder der Schichtabstand am Beispiel von auf schichtsilikatbasierenden Polymernanocomposites, konnten ebenfalls quantitativ charakterisiert werden. Zusätzlich wurde noch versucht, die rheologischen Kennwerte Speicher- und Verlustmodul zu charakterisieren. Mit einigen Einschränkungen war es hier auch möglich, ein bedingt einsetzbares Modell zu erstellen. Außerdem wurde ein chemometrisches Modell erstellt, das dehnrheologische Eigenschaften, repräsentiert durch die Abzugskraft, charakterisiert. Die Abzugskraft wurde hier online über einen Bypass während der Produktion gemessen und quantitativ bestimmt. Der Nachweis, dass Polymernanocomposites hinsichtlich ihrer mechanischen und teilweise auch strukturellen Eigenschaften charakterisierbar sind womit eine Qualitätskontrolle durchführbar ist, ist in diesem Umfang, komplett neu. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Durchführung von unterschiedlichen, in der Kunststoffverarbeitung relevanten Fragestellungen. So konnten beispielsweise Chargenunterschiede bei der Profilextrusion von PVC, die bei der herkömmlichen Wareneingangskontrolle nicht unterschieden werden können, mit spektralen Unterschieden in Verbindung gebracht werden. Zusätzlich konnte man sehen, dass selbst geringste Verunreinigungen im Extrusionprozess sichtbar gemacht werden können. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Kettenabbau bei der Verarbeitung von PET ebenso wie die Feuchteaufnahme von hygroskopischen Polymeren durch deutliche Änderungen in den Spektren charakterisierbar ist. Zu diesem Teil der Arbeit zählte auch die Nutzung der NIR-Spektroskopie zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens in unterschiedlichen Extrusionsprozessen. Es konnte hierbei ein Vorgehen entwickelt werden, das es dem Endanwender erlaubt, ohne chemometrische Modellierung an allen Extrusionsprozessen und an einer Vielzahl von Polymeren Untersuchungen des Verweilzeitverhaltens durchzuführen. Dieses Verfahren ist komplett neu. Mit dieser Arbeit wurde klar demonstriert, wie flexibel die NIR-Spektroskopie eingesetzt werden kann und wie mächtig diese Methode in Hinblick auf eine effiziente Qualitätskontrolle in der kunststoffverarbeitenden Industrie sein kann und welche Perspektiven diese Methodik zukünftig noch haben kann.

AB - In dieser Arbeit wurden die physikalischen und elektromagnetischen Hintergründe der Nahinfrarottechnologie inklusive Funktionsweise der Chemometrik, Aufbereitung der Spektraldaten und Beurteilung der chemometrischen Modelle hinsichtlich Güte und Ausreißern beleuchtet. Zusätzlich dazu wurde der jetzige Stand der Technik erläutert. Der zweite Teil der Arbeit bestand aus dem Bestimmen von Bestandteilen und Eigenschaften durch Korrelation mit Spektraldaten. Es wurden unterschiedliche Additive, die in halogenfreien Flammhemmersystemen Einsatz finden, untersucht. Diese Bestimmung basiert auf dem Stand der Technik wurde aber hinsichtlich der Anzahl an Bestandteilen erweitert. Außerdem wurden PVC Nanocomposites charakterisiert. Die chemometrischen Modelle aller hier untersuchten Additive zeigten sehr gute Gütekennzahlen, wodurch eine quantitative Charakterisierung in allen Fällen möglich war. Unterschiedliche mechanische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit, aber auch Struktureigenschaften wie interpartikulärer Abstand oder der Schichtabstand am Beispiel von auf schichtsilikatbasierenden Polymernanocomposites, konnten ebenfalls quantitativ charakterisiert werden. Zusätzlich wurde noch versucht, die rheologischen Kennwerte Speicher- und Verlustmodul zu charakterisieren. Mit einigen Einschränkungen war es hier auch möglich, ein bedingt einsetzbares Modell zu erstellen. Außerdem wurde ein chemometrisches Modell erstellt, das dehnrheologische Eigenschaften, repräsentiert durch die Abzugskraft, charakterisiert. Die Abzugskraft wurde hier online über einen Bypass während der Produktion gemessen und quantitativ bestimmt. Der Nachweis, dass Polymernanocomposites hinsichtlich ihrer mechanischen und teilweise auch strukturellen Eigenschaften charakterisierbar sind womit eine Qualitätskontrolle durchführbar ist, ist in diesem Umfang, komplett neu. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Durchführung von unterschiedlichen, in der Kunststoffverarbeitung relevanten Fragestellungen. So konnten beispielsweise Chargenunterschiede bei der Profilextrusion von PVC, die bei der herkömmlichen Wareneingangskontrolle nicht unterschieden werden können, mit spektralen Unterschieden in Verbindung gebracht werden. Zusätzlich konnte man sehen, dass selbst geringste Verunreinigungen im Extrusionprozess sichtbar gemacht werden können. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Kettenabbau bei der Verarbeitung von PET ebenso wie die Feuchteaufnahme von hygroskopischen Polymeren durch deutliche Änderungen in den Spektren charakterisierbar ist. Zu diesem Teil der Arbeit zählte auch die Nutzung der NIR-Spektroskopie zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens in unterschiedlichen Extrusionsprozessen. Es konnte hierbei ein Vorgehen entwickelt werden, das es dem Endanwender erlaubt, ohne chemometrische Modellierung an allen Extrusionsprozessen und an einer Vielzahl von Polymeren Untersuchungen des Verweilzeitverhaltens durchzuführen. Dieses Verfahren ist komplett neu. Mit dieser Arbeit wurde klar demonstriert, wie flexibel die NIR-Spektroskopie eingesetzt werden kann und wie mächtig diese Methode in Hinblick auf eine effiziente Qualitätskontrolle in der kunststoffverarbeitenden Industrie sein kann und welche Perspektiven diese Methodik zukünftig noch haben kann.

KW - Nahinfrarotspektroskopie

KW - inline Qualitätskontrolle

KW - Charakterisierung

M3 - Dissertation

ER -