TY - BOOK

T1 - Untersuchungen zum Fließverhalten von Metall-, Keramik- und Holz-Kunststoffverbunden

AU - Duretek, Ivica

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Für den erfolgreichen Einsatz von Simulationsprogrammen für Kunststoffverarbeitungsprozesse sind die genauen Kenntnisse des Fließverhaltens von Poylmerschmelzen unverzichtbar. Neue Anwendungsgebiete und hohe Anforderungen an Materialeigenschaften führen dazu, dass sehr häufig keine vom Rohstoffhersteller standardisierten Werkstoffe, sondern überwiegend kundenspezifische Materialmischungen bzw. Funktionscompounds verwendet werden. Die thermoplastischen Kunststoffe werden in vielfältiger Weise mit Füllstoffen bzw. Zuschlagstoffen versehen. Die Fließvorgänge von hochgefüllten Polymeren sind komplex. Es treten sehr schwer trennbare Effekte auf, wie z.B. Scherfließen mit Fließgrenze, Wandgleiten, elastische Effekte etc.. Des Weiteren kann es aufgrund der mehrphasigen Zusammensetzung der Formmasse zu Entmischungen kommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Fließverhalten extrem hochgefüllter Thermoplaste wie pulvermetallurgische Feedstocks (PIM-Feedstocks) und Holz-Thermoplastverbunde (Wood Plastics Composites; WPC) untersucht. Das Kernziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, zu untersuchen, inwieweit bekannte rheologische Modelle zur Beschreibung des Fließverhaltens von Thermoplasten auf extrem hochgefüllte Kunststoffe übertragen und angewendet werden können. Der Lösungsweg umfasste rheologische Untersuchungen mit dem Schlitzdüsensystem mit wandbündigen Massedrucksensoren am Hochdruckkapillarrheometer. Darüber hinaus wurden die mit Schlitzdüsen ermittelten rheologischen Stoffdaten jenen mittels Rundlochdüsen gemessenen gegenüberstellt und analysiert. Anders als bei bisherigen Untersuchungen an pulvermetallurgischen Feedstocks und Holz-Thermoplastverbunden wurde der Einfluss der Massetemperatur und der praxisnahen Schmelzeaufbereitung näher mit betrachtet. Hierzu wurden bei der Auswertung entsprechende Korrekturalgorithmen berücksichtigt. Der Einfluss der Vorscherung auf das Fließverhalten von PIM-Feedstocks wurde verarbeitungsnah mittels eines speziellen PIM-Spritzgießmaschinenrheometers untersucht und bewertet. Des Weiteren wurde der Feuchtigkeitseinfluss auf das Fließverhalten von Holz- Thermoplast-Verbunden untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass bei vorgetrockneten keramischen Feedstocks und bei metallischen Feedstocks im gesamten untersuchten Schergeschwindigkeitsbereich als Fließmechanismus Scherfließen (Wandhaften) vorliegt. Die zusätzliche Scherung in der Plastifiziereinheit bei den rheologischen Messungen an metallischen Feedstocks an der Spritzgießmaschine führte zu einer deutlichen Viskositätserniedrigung. Die an der Spritzgießmaschine gemessene Viskositätsfunktion lag ca. 6 bis 10 % niedriger als jene am Hochdruckschlitzrheometer. Die Messungen am PIM-Feedstock mit einem Platte/Platte-Rheometer zeigten, dass die Viskosität bei Schergeschwindigkeiten <1 s-1 nicht wie bei ungefüllten Polymeren üblich in Nullviskosität übergeht, sondern weiter stark ansteigt, was auf das Vorhandensein einer Fließgrenze hindeutet. Dieses Fließverhalten konnte sehr gut mit dem Cross-WLF-Ansatz mit Herschel-Bulkley-Erweiterung beschrieben werden. Ein erhöhter Feuchtegehalt bei WPC führt zu Wandgleiten. Der mit dem Stoffgesetz für Wandhaften berechnete Druckbedarf liegt 1,5- bis 2,4-mal unter dem gemessenen. Mit dem Stoffgesetz für Wandgleiten wurde der Druckbedarf mit guter Genauigkeit vorhergesagt. Die ermittelten Stoffdaten wurden in der Füllsimulation des Spritzgießprozesses und bei der Berechnung des Druckbedarfs eines Extrusionswerkzeuges validiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die entwickelten Methoden für die Beschreibung des Fließverhaltens von Metall-, Keramik-und Holz-Kunststoffverbunden gut für die Simulation geeignet sind.

AB - Für den erfolgreichen Einsatz von Simulationsprogrammen für Kunststoffverarbeitungsprozesse sind die genauen Kenntnisse des Fließverhaltens von Poylmerschmelzen unverzichtbar. Neue Anwendungsgebiete und hohe Anforderungen an Materialeigenschaften führen dazu, dass sehr häufig keine vom Rohstoffhersteller standardisierten Werkstoffe, sondern überwiegend kundenspezifische Materialmischungen bzw. Funktionscompounds verwendet werden. Die thermoplastischen Kunststoffe werden in vielfältiger Weise mit Füllstoffen bzw. Zuschlagstoffen versehen. Die Fließvorgänge von hochgefüllten Polymeren sind komplex. Es treten sehr schwer trennbare Effekte auf, wie z.B. Scherfließen mit Fließgrenze, Wandgleiten, elastische Effekte etc.. Des Weiteren kann es aufgrund der mehrphasigen Zusammensetzung der Formmasse zu Entmischungen kommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Fließverhalten extrem hochgefüllter Thermoplaste wie pulvermetallurgische Feedstocks (PIM-Feedstocks) und Holz-Thermoplastverbunde (Wood Plastics Composites; WPC) untersucht. Das Kernziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, zu untersuchen, inwieweit bekannte rheologische Modelle zur Beschreibung des Fließverhaltens von Thermoplasten auf extrem hochgefüllte Kunststoffe übertragen und angewendet werden können. Der Lösungsweg umfasste rheologische Untersuchungen mit dem Schlitzdüsensystem mit wandbündigen Massedrucksensoren am Hochdruckkapillarrheometer. Darüber hinaus wurden die mit Schlitzdüsen ermittelten rheologischen Stoffdaten jenen mittels Rundlochdüsen gemessenen gegenüberstellt und analysiert. Anders als bei bisherigen Untersuchungen an pulvermetallurgischen Feedstocks und Holz-Thermoplastverbunden wurde der Einfluss der Massetemperatur und der praxisnahen Schmelzeaufbereitung näher mit betrachtet. Hierzu wurden bei der Auswertung entsprechende Korrekturalgorithmen berücksichtigt. Der Einfluss der Vorscherung auf das Fließverhalten von PIM-Feedstocks wurde verarbeitungsnah mittels eines speziellen PIM-Spritzgießmaschinenrheometers untersucht und bewertet. Des Weiteren wurde der Feuchtigkeitseinfluss auf das Fließverhalten von Holz- Thermoplast-Verbunden untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass bei vorgetrockneten keramischen Feedstocks und bei metallischen Feedstocks im gesamten untersuchten Schergeschwindigkeitsbereich als Fließmechanismus Scherfließen (Wandhaften) vorliegt. Die zusätzliche Scherung in der Plastifiziereinheit bei den rheologischen Messungen an metallischen Feedstocks an der Spritzgießmaschine führte zu einer deutlichen Viskositätserniedrigung. Die an der Spritzgießmaschine gemessene Viskositätsfunktion lag ca. 6 bis 10 % niedriger als jene am Hochdruckschlitzrheometer. Die Messungen am PIM-Feedstock mit einem Platte/Platte-Rheometer zeigten, dass die Viskosität bei Schergeschwindigkeiten <1 s-1 nicht wie bei ungefüllten Polymeren üblich in Nullviskosität übergeht, sondern weiter stark ansteigt, was auf das Vorhandensein einer Fließgrenze hindeutet. Dieses Fließverhalten konnte sehr gut mit dem Cross-WLF-Ansatz mit Herschel-Bulkley-Erweiterung beschrieben werden. Ein erhöhter Feuchtegehalt bei WPC führt zu Wandgleiten. Der mit dem Stoffgesetz für Wandhaften berechnete Druckbedarf liegt 1,5- bis 2,4-mal unter dem gemessenen. Mit dem Stoffgesetz für Wandgleiten wurde der Druckbedarf mit guter Genauigkeit vorhergesagt. Die ermittelten Stoffdaten wurden in der Füllsimulation des Spritzgießprozesses und bei der Berechnung des Druckbedarfs eines Extrusionswerkzeuges validiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die entwickelten Methoden für die Beschreibung des Fließverhaltens von Metall-, Keramik-und Holz-Kunststoffverbunden gut für die Simulation geeignet sind.

M3 - Dissertation

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