TY - THES

T1 - Zeit-Temperatur-Verschiebung von thermoplastischen polymeren Werkstoffen

AU - Moser, Andreas

N1 - gesperrt bis null

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Die Zeit-Temperatur-Verschiebung ist ein einfaches Mittel, um das viskoelastische Verhalten von linearen (thermorheologisch einfach) Polymeren über einen weiten Frequenz oder Zeitbereich darzustellen. Unter der Voraussetzung eines linear-viskoelastischen Materialverhaltens wird dieser Gültigkeitsbereich erzeugt durch horizontale Verschiebung isothermer Temperatursegmente zu einer definierten Referenztemperatur. Für den Fall verzweigter (thermorheologisch komplex) Polymere oder nicht linear-viskoelastischem Materialverhalten erfordert die Zeit-Temperatur-Verschiebung eine zusätzliche Vertikalverschiebung der isothermen Segmente. Somit beinhaltet diese Technik die Benutzung von temperaturabhängigen Vertikal- und Horizontalverschiebungsfaktoren in einem doppelt-logarithmischen Kennwertediagramm wie es Relaxationsmodul-, Speichermodul-, Verlustmodul- oder Kriechmodulverläufe darstellen. Der temperaturabhängige Horizontalverschiebungs¬faktor wird dabei mit der Frequenz multipliziert (aT*ω) oder durch die Zeit dividiert (t/aT). Der ebenfalls temperaturabhängige Vertikalverschiebungsfaktor erfordert im Gegensatz dazu eine Multiplikation mit dem mechanischen Kennwert (bT G). Falls die Voraussetzungen der Zeit-Temperatur-Verschiebung erfüllt werden, liefert diese eine Masterkurve des viskoelastischen Materialverhaltens über einen weiteren Frequenz oder Zeitbereich. In dieser Arbeit wurden die Daten für die Zeit-Temperatur-Verschiebungen durch die Anwendung der dynamisch-mechanischen Analyse für ein amorphes und ein teilkristallines Polymer generiert. Die Verifizierung der Anwendbarkeit der Zeit-Temperatur-Verschiebung erfolgte über die Darstellung der Daten in einem modifizierten Cole-Cole- oder van Gurp-Palmen-Diagramm. Mit diesen wurde die Notwendigkeit der Horizontal- und Vertikalverschiebung beim teilkristallinen (thermorheologisch komplexen) Polymer und die reine Horizontalverschiebung beim amorphen Polymer nachgewiesen. Die Generierung der Masterkurven fand zusätzlich für unterschiedliche Belastungsarten (Scherung, Torsion, Zug, Biegung) statt und beinhaltete einen Vergleich der Verschiebungsfaktorenverläufe für eine Referenztemperatur (Glasübergangstemperatur). Durch die Auswertung und den Vergleich der Arrhenius-Aktivierungsenergie und den WLF-Konstanten für alle Belastungsarten wurde die Anwendbarkeit dargelegt. Zusätzlich wurden mit dem teilkristallinen Polymer Nanocomposites hergestellt und bei einer Referenztemperatur - die der α-Relaxationstemperatur entsprach - miteinander verglichen. Als weiteren Eckpfeiler der Arbeit erfolgte die Entwicklung einer neuen Methode zur Datengenerierung einer Zeit-Temperatur-Verschiebung. Diese variotherme Methode eliminiert das Temperatureinschwingverhalten bei der üblicherweise angewandten isothermen Methode. Als Einschränkung liefert diese Methode nur bei bestimmten Prüfkörpergeometrien und Prozessparametern eine gültige Anwendbarkeit der Zeit-Temperatur-Verschiebung. Zur Auswertung dieser variothermen Methode bedarf es eines eigenständigen Softwareprogramms, das ebenfalls im Zuge dieser Arbeit entwickelt und vom Autor als „TTS+“ bezeichnet wurde.

AB - Die Zeit-Temperatur-Verschiebung ist ein einfaches Mittel, um das viskoelastische Verhalten von linearen (thermorheologisch einfach) Polymeren über einen weiten Frequenz oder Zeitbereich darzustellen. Unter der Voraussetzung eines linear-viskoelastischen Materialverhaltens wird dieser Gültigkeitsbereich erzeugt durch horizontale Verschiebung isothermer Temperatursegmente zu einer definierten Referenztemperatur. Für den Fall verzweigter (thermorheologisch komplex) Polymere oder nicht linear-viskoelastischem Materialverhalten erfordert die Zeit-Temperatur-Verschiebung eine zusätzliche Vertikalverschiebung der isothermen Segmente. Somit beinhaltet diese Technik die Benutzung von temperaturabhängigen Vertikal- und Horizontalverschiebungsfaktoren in einem doppelt-logarithmischen Kennwertediagramm wie es Relaxationsmodul-, Speichermodul-, Verlustmodul- oder Kriechmodulverläufe darstellen. Der temperaturabhängige Horizontalverschiebungs¬faktor wird dabei mit der Frequenz multipliziert (aT*ω) oder durch die Zeit dividiert (t/aT). Der ebenfalls temperaturabhängige Vertikalverschiebungsfaktor erfordert im Gegensatz dazu eine Multiplikation mit dem mechanischen Kennwert (bT G). Falls die Voraussetzungen der Zeit-Temperatur-Verschiebung erfüllt werden, liefert diese eine Masterkurve des viskoelastischen Materialverhaltens über einen weiteren Frequenz oder Zeitbereich. In dieser Arbeit wurden die Daten für die Zeit-Temperatur-Verschiebungen durch die Anwendung der dynamisch-mechanischen Analyse für ein amorphes und ein teilkristallines Polymer generiert. Die Verifizierung der Anwendbarkeit der Zeit-Temperatur-Verschiebung erfolgte über die Darstellung der Daten in einem modifizierten Cole-Cole- oder van Gurp-Palmen-Diagramm. Mit diesen wurde die Notwendigkeit der Horizontal- und Vertikalverschiebung beim teilkristallinen (thermorheologisch komplexen) Polymer und die reine Horizontalverschiebung beim amorphen Polymer nachgewiesen. Die Generierung der Masterkurven fand zusätzlich für unterschiedliche Belastungsarten (Scherung, Torsion, Zug, Biegung) statt und beinhaltete einen Vergleich der Verschiebungsfaktorenverläufe für eine Referenztemperatur (Glasübergangstemperatur). Durch die Auswertung und den Vergleich der Arrhenius-Aktivierungsenergie und den WLF-Konstanten für alle Belastungsarten wurde die Anwendbarkeit dargelegt. Zusätzlich wurden mit dem teilkristallinen Polymer Nanocomposites hergestellt und bei einer Referenztemperatur - die der α-Relaxationstemperatur entsprach - miteinander verglichen. Als weiteren Eckpfeiler der Arbeit erfolgte die Entwicklung einer neuen Methode zur Datengenerierung einer Zeit-Temperatur-Verschiebung. Diese variotherme Methode eliminiert das Temperatureinschwingverhalten bei der üblicherweise angewandten isothermen Methode. Als Einschränkung liefert diese Methode nur bei bestimmten Prüfkörpergeometrien und Prozessparametern eine gültige Anwendbarkeit der Zeit-Temperatur-Verschiebung. Zur Auswertung dieser variothermen Methode bedarf es eines eigenständigen Softwareprogramms, das ebenfalls im Zuge dieser Arbeit entwickelt und vom Autor als „TTS+“ bezeichnet wurde.

KW - Zeit-Temperatur Verschiebung

KW - Arrhenius

KW - WLF

KW - Nanocomposites

KW - Polypropylene

KW - Polystyrol

KW - vanGurp

KW - Palmen

KW - Cole

KW - vGP-plot

KW - CC-plot

KW - α-Relaxation

KW - Schichtsilikate

KW - dynamisch-mechanische Analyse

KW - DMA

KW - Horizontalverschiebung

KW - Vertikalverschiebung

KW - Aktivierungsenergie

KW - time-temperature-superposition

KW - Arrhenius

KW - WLF

KW - nanocomposites

KW - polypropylene

KW - polystyrene

KW - van Gurp

KW - Palmen

KW - Cole

KW - vGP-plot

KW - CC-plot

KW - α-relaxation

KW - layered silicates

KW - dynamic-mechanic analysis

KW - DMA

KW - horizontal shift

KW - vertical shift

KW - activation energy

M3 - Masterarbeit

ER -