Einfluss mechanischer Dispergierverfahren auf Struktur und Eigenschaften duroplastischer Nanoverbundwerkstoffe

Influence of mechanical dispersion methods on structure and properties of thermosetting nanocomposites

  • Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Verfahren zur mechanischen Dispergierung agglomerierter Nanopartikel in Epoxidharz und der werkstofflichen Charakterisierung der daraus resultierenden Nanoverbundwerkstoffe. Dazu wurden Dispergierexperimente unter Verwendung eines Titandioxid-Nanopartikelpulvers mit Hilfe einer horizontalen und einer vertikalen Rührwerkskugelmühle durch systematische Variation von Dispergierparametern, wie beispielsweise der Rührwerksumfangsgeschwindigkeit, der Dispergierdauer, dem spezifischen Energieeintrag, dem Mahlkörperdurchmesser und dem Mahlkörperfüllgrad durchgeführt. Die Herausforderung liegt in der Erzielung möglichst geringer Partikelgrößen einhergehend mit einer homogenen Verteilung der Primärpartikel in der polymeren Matrix, ohne dabei die Molekülstruktur des verwendeten Epoxidharzes zu degradieren. Zur Ermittlung des Einflusses der einzelnen Dispergierparameter auf die Partikelgrößen und deren Häufigkeitsverteilungen wurden Proben der Suspension bestehend aus Epoxidharz und TiO2-Nanopartikeln während des Dispergierprozesses entnommen und nach dem Prinzip der dynamischen Lichtstreuung untersucht. Aus den Suspensionen wurden Nanoverbundwerkstoffe gefertigt, die umfangreich werkstoffwissenschaftlich durch mechanische, thermoanalytische und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen charakterisiert wurden, um den Einfluss der Partikelgrößen und -verteilungen auf die Struktur und die Eigenschaften der Nanoverbundwerkstoffe zu ermitteln. Das erarbeitete Dispergierverfahren wurde anschließend zugrunde gelegt, um Nanopartikelpulver aus Titandioxid, Aluminiumdioxid und Zirkoniumdioxid in Epoxidharz zu dispergieren und dadurch Nanoverbundwerkstoffe mit gesteigerten Werkstoffeigenschaften zu fertigen. Diese wurden mechanischen und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen unterzogen. Aufbauend auf den Erkenntnissen der vorangegangen Dispergierexperimente und theoretischen Betrachtungen wurde anhand eines Modells die Vorhersage erzielbarer Partikelgrößenverteilungen in Abhängigkeit physikalischer Einflussgrößen des Dispergierprozesses geprüft.
  • This work focuses on the fundamental investigation of procedures concerning the mechanical dispersion of agglomerated nanoparticles in epoxy resin and the physical characterization of the resulting nanocomposites. Therefore, dispersion experiments by the use of titanium dioxide nanopowder were carried out by means of a horizontal and a vertical stirred bead mill through systematical variation of dispersion parameters, for instance the circumferential velocity of the agitator, the dispersion time, the specific energy input, the diameter of the grinding media and the filling degree of grinding media. The challenge lies in the achievement of a preferably low particle size in combination with a homogeneous distribution of the primary particles in the polymer matrix, without the degradation of the molecular structure of the applied epoxy resin. For the determination of the influence of the different dispersion parameters on the particle sizes and their frequency distribution samples of the suspension consisting of epoxy resin and TiO2-nanoparticles were removed during the dispersion process and examined according to the principle of dynamic light scattering. The suspensions were processed to nanocomposites which were characterized substantially by mechanical, thermoanalytical and scanning electron microscope analysis in order to investigate the influence of the particle size and the particle frequency distribution on the structure and the properties of the nanocomposites. The developed proceeding was applied in the following to disperse nanoparticle powders consisting of titanium dioxide, aluminium oxide, and zirconium dioxide in epoxy resin in order to manufacture nanocomposites with enhanced material’s properties. These were undergone mechanical and scanning electron microscope analysis. Based on the knowledge obtained by the previous dispersion experiments and theoretical considerations the prediction of achievable particle size distributions in dependance on physical determining factors of the dispersion process was proved by means of a dispersion model.

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Metadaten
Author:Markus Englert
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-24533
Advisor:Alois K. Schlarb
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2009
Year of Publication:2009
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2009/11/10
GND-Keyword:Agglomerat ; Dispergierung ; Modellierung; Nanokomposit
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $