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PET/PP-Based Polymer Composites: Effects of Compatibilizer and Nanofillers on the Processing-Structure-Property Relationships

PET/PP-basierende Komposite: Einfluss von Kompatibilisator und Nanofüllstoffen auf die Beziehungen in Prozess-Strukur-Eigenschaft

  • Microfibrillar reinforced composites (MFC) have attracted considerable academic and practical interests after the concept was introduced more than a decade years ago. This new type of composites will be created by blending of two polymers with different melting temperatures and processing the blend under certain thermo-mechanical conditions to generate in-situ formed microfibrils of the higher melting polymer grade of temperature in the blend. The compression molded microfibrillar composites were reported to possess excellent mechanical properties and thus they are promising materials for different applications. In the present work, a typical immiscible polymer blend PET/PP was selected for the preparation of PET/PP, PET/PP/TiO2 microfibrillar reinforced composites. The objective of this study is to analyse the processing-structure-property relationship in the PET/PP based MFCs. The morphology of the PET microfibrils and the dispersion of the TiO2 nanoparticles were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and discussed. The crystallization behaviour of PET and PP was studied by means of differential scanning calorimetry (DSC). The thermomechanical and mechanical properties of the composites were determined by dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) and uniaxial tensile tests and the related results discussed as a function of the composition of the corresponding system. During stretching of the PET/PP extrudate, the PET dispersed phase was deformed into microfibrils. These microfibrils were still well persevered after compression molding of the drawn strands. Therefore the PET microfibrils acted as the reinforcement for the PP matrix. Compared with neat PP, the tensile properties of the PET/PP MFC were greatly improved. For the PET/PP/TiO2 MFC, the effects of polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MA, introduced as compatibilizer) and TiO2 particles on the structure and properties of drawn strands and composites were investigated. Upon the addition of PP-g-MA, the preferential location of TiO2 particles changed: they migrated from the PET dispersed phase to the continuous PP matrix phase. This was accompanied with structural changes of the drawn strands. The microfibril formation mechanism was also investigated. After injection molding of the microfibrillar composites, the preferential location of TiO2 particles was still preserved. DMTA analysis of drawn strands, the tensile and impact tests of the composites demonstrated that the mechanical properties of the drawn strands of the microfibrillar composites were strongly dependent on the respective structures of the tested materials. To further investigate the preferential location of TiO2 particles in the PET/PP blend which were discovered during the preparation of PET/PP/TiO2 MFCs, PET/PP/TiO2 ternary nanocomposites were prepared according to four blending procedures. The preferential location of TiO2 nanoparticles was influenced by the blending sequence and the amount of PP-g-MA incorporated. Furthermore, it was discovered that TiO2 nanoparticles exerted a compatibilizing effect on the morphology of the composites. Three different compatibilization mechanisms of nanoparticles were proposed depending on the location of the nanoparticles.
  • Microfibrillar verstärkte Komposite (MFC) haben nach Vorstellung des Konzeptes vor mehr als zehn Jahren ein beachtliches akademisches sowie anwendungstechnisches Interesse geweckt. Diese neuartige Art von Verbundwerkstoffen wird über ein Blend zweier Polymere mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen und anschließender Verarbeitung unter bestimmten thermisch-mechanischen Bedingungen realisiert. Dabei bilden sich in-situ erzeugte Mikrofibrillen, die aus dem höherschmelzenden Polymer des Blends bestehen. Die über entsprechende Pressverfahren hergestellten microfibrillaren Komposite (MFC) sollen exzellente mechanische Eigenschaften aufweisen wodurch sie ein vielversprechendes Anwendungspotential haben. In der vorliegenden Arbeit wurde ein typisches, nicht mischbares Polymergemisch, PET/PP, für die Herstellung von PET/PP, PET/PP/TiO2 mikrofibrillar verstärkten Kompositen ausgewählt. Ziel dieser Studie ist es, die Prozess-Struktur-Eigenschaften von auf PET/PP basierenden MFCs zu erforschen. Die Morphologie der PET Mikrofibrillen und die Dispersion der TiO2 Nanopartikel wurden mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert und erörtert. Das Kristallisationsverhalten von PET und PP wurde über dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht. Die thermomechanischen und mechanischen Eigenschaften der Komposite wurden durch dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) und einachsige Zugprüfungen bestimmt und die entsprechenden Ergebnisse wurden als Funktion des Blends erörtert Während des Streckens des PET/PP Extrudates wurde die PET disperse Phase in Mikrofibrillen verformt. Diese Mikrofibrillen waren nach dem Pressverfahren noch vorhanden. Wodurch die PET Mikrofibrillen eine Verstärkung für die PP-Matrix darstellen. Im Vergleich zu reinem PP, waren die Zugeigenschaften des PET/PP MFCs deutlich verbessert. Bei PET/PP/TiO2 MFCs, wurde der Einfluss von mit Maleinsäure anhydrid gepfropftem Polypropylen (PP-g-MA, als Kompatibilisator) und TiO2 über Struktur-Eigenschafts-Beziehungen analysiert. Nach der Zugabe von PP-g-MA, veränderte sich die bevorzugte Position der TiO2 Partikeln: Sie wanderten aus der PET dispersen Phase zur kontinuierlichen PP-Matrix Phase. Dies war mit strukturellen Veränderungen von gezogenen Fasersträngen verbunden. Der Mechanismus zur Bildung von Mikrofibrillen wurde ebenfalls untersucht. Nach dem Spritzgießen von mikrofibrillaren Kompositen hatten die TiO2 Partikel ihre bevorzugte Position beibehalten. Die DMTA Analyse der gezogenen Faserstränge, Zugprüfungen und der Schlagzähigkeitstest der Komposite demonstrierten, dass die mechanischen Eigenschaften der gezogenen Faserstränge und der mikrofibrillaren Komposite stark von den Strukturen der getesteten Materialien abhängig waren. Um die bevorzugte Position der TiO2-Partikel in der PET/PP Mischung, die während der Herstellung von PET/PP/TiO2 MFCs festgestellt wurden, weiter zu untersuchen, wurden ternäre PET/PP/TiO2-Nanokomposite nach vier Mischverfahren hergestellt. Die bevorzugte Position der TiO2 Nanopartikel wurde über die Mischfolge und die Menge des eingearbeiteten PP-g-MA beinflusst. Darüberhinaus wurde festgestellt, dass die TiO2 Nanopartikel eine kompatibilisierende Wirkung auf die Morphologie der Komposite ausübten. Drei verschiedene Kompatibilisierungsmechanismen der Nanopartikel wurden in Abhängigkeit der Position der Nanopartikel vorgeschlagen.

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Metadaten
Author:Wenjing Li
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-24053
Advisor:Alois K. Schlarb
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2009
Year of Publication:2009
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2009/11/27
Date of the Publication (Server):2009/12/10
Tag:composite; polymer blends; processing
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vor dem 27.05.2011