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Analyse und Entwicklung des Extrusionsprozesses zur Erhöhung der Dispersionsqualität von Nanopartikel-Polyamid 6-Verbundwerkstoffen

  • Sphärische keramische Nanopartikel können die Eigenschaften von Thermoplasten signifikant positiv verändern. Eine gute Dispersität von Nanopartikeln in einer polymeren Matrix ermöglicht z.B. eine außergewöhnliche Steigerung der Zähigkeit. Allerdings neigen die Nanoadditive wegen ihrer großen spezifischen Oberfläche zur Agglomeration, was der Verbesserung der Eigenschaften entgegenwirkt. Dies stellt eine der größten Herausforderungen der Nanokompositforschung dar. Da industriell hergestellte Nanokomposite von steigendem Interesse für vielerlei Anwendungen sind, ist es ingenieurwissenschaftlich relevant, Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Nanokompositen mit kommerziell erhältlichen Nanopartikeln genauer zu verstehen. Dies erlaubt eine gezielte Steuerung bzw. Einstellung der Materialeigenschaften. In den bisherigen wissenschaftlichen Arbeiten zu thermoplastischen Nanokompositen mit sphärischen keramischen Nanofüllstoffen ist die Dispersität der Nanokomposite nicht hinreichend gut quantifiziert worden, was zur Folge hat, dass verschiedene Herstellungsmethoden nicht miteinander verglichen werden können. Diese Arbeit zielt darauf ab, thermoplastische Polyamid 6-Nanoverbundwerkstoffe mit guter Dispersität mittels Extrusion herzustellen und zu untersuchen. Dabei werden drei Herstellungsmethoden und die dabei erreichten Dispersionsqualitäten und Eigenschaftsprofile betrachtet. Dafür werden Verbundwerkstoffe aus einer PA6-Matrix und keramischen Nanofüllstoffen (TiO2, SiO2, BaSO4) - als Pulver oder als Nanopartikeldispersion - generiert. Die erzeugten Komposite werden mit TEM-, REM- und μ-CT-Analysen morphologisch analysiert. Die Materialeigenschaften werden durch DSC-, DMTA-, GPC-, Viskositätsuntersuchungen erfasst. Weiterhin werden Kerbschlagbiege- und Zugversuche durchgeführt. In einem ersten Schritt wird eine häufig angewendete Herstellungsmethode untersucht, bei der Nanopartikelpulver zum Extrusionsprozess zugegeben werden. Es ist nicht möglich alle Agglomerate durch die Bearbeitung im Extruder aufzubrechen. Die Agglomeratfestigkeit für die verwendeten Partikel wird aus den Verläufen der Dispersität bei mehrfacher Extrusion erfolgreich bestimmt. Die Untersuchung der Vorgänge bei der Deagglomeration anhand eines Modells zeigt, dass das Verhältnis zwischen Agglomeratbruch und Erosion von einzelnen Partikeln von der Oberfläche des Agglomerates für die Materialeigenschaften von maßgeblicher Bedeutung ist. Trotz sehr guter Dispersionsqualität der TiO2-Komposite und einer guten Partikel-Matrix-Anbindung lassen sich nur die Festigkeit und Steifigkeit steigern, während die Kerbschlagzähigkeit nicht erhöht ist. Die TiO2-Nanopartikel weisen eine relativ geringe Agglomeratfestigkeit (0,1 MPa) auf, und die Erosion spielt neben Bruch eine wichtige Rolle im Deagglomerationsmechanismus, weshalb für diese Partikel die Zugabe als Pulver zu empfehlen ist. Restagglomerate führen jedoch zu Spannungskonzentrationen im Material, was eine Zähigkeitssteigerung verhindert. SiO2-Nanopartikel dagegen können bei den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen nicht als Füllstoffe empfohlen werden. Ihre Agglomerate weisen eine so hohe Festigkeit auf, dass diese überwiegend zerbrechen. BaSO4 sollte als Pulver nicht verwendet werden, denn es kann mittels Extrusion kaum dispergiert werden. In der zweiten Bearbeitungsphase werden die Materialeigenschaften bei der Zugabe der Nanopartikel als wässrige Dispersion untersucht. Dabei wird die Partikeldispersion drucklos zugegeben; das Dispersionsmedium kann an der Zugabestelle direkt verdampfen. Zusammengefasst ist festzustellen, dass Agglomeration an der Zugabestelle zu verschlechterten mechanischen Eigenschaften führt. Im dritten Schritt werden wässrige Nanopartikeldispersionen unter Druck in den Extruder gepumpt, um zu erreichen, dass sich eine Mischung aus flüssiger Dispersion und Polymerschmelze bildet. Dabei tritt zum einen Diffusion der Partikel in die Polymerschmelze auf, zum anderen kommt es zu Tropfenverkleinerung durch die Scherspannung im Extruder. Bei der theoretischen Untersuchung der Zerkleinerung der Dispersionstropfen wird festgestellt, dass das Verhältnis der Viskositäten der zu mischenden Medien, deren Oberflächenspannungen und die Scherspannung im Extruder den Vorgang bestimmen. Die so ermittelte Größe der kleinsten Agglomerate liegt nicht im Nanometerbereich. Infolge der geringen Mischdauer nach der Verdunstung des Dispergiermediums sind die Agglomerate schlecht an die Matrix angebunden. Weiterhin bilden sich sehr kompakte Agglomerate. Aufgrund dessen steigert sich der E-Modul des Nanokomposits kaum bei einer gleichzeitig reduzierten Zähigkeit. Als Dispersion zugegeben diffundieren die SiO2-Partikel kaum und es bilden sich relativ große Agglomerate. Da insbesondere bei TiO2 und BaSO4 außergewöhnlich kleine Agglomerate (<100 nm) bzw. sogar Primärpartikel gefunden werden, ist davon auszugehen, dass für diese beiden Nanoadditive auch Diffusion von Bedeutung ist. Nanokomposite mit diesen Füllstoffen sollten über die Methode der Zugabe von wässrigen Dispersionen unter Druck hergestellt werden. Diese Arbeit bildet mit systematischen Untersuchungen von industriell relevanten Prozessen zur Herstellung von Nanokompositen, den Mechanismen, die dabei ablaufen, und den erzielbaren Materialmorphologien und Materialeigenschaften die Grundlage für maßgeschneiderte Nanokomposite.

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Metadaten
Verfasserangaben:Irene Hassinger
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47191
ISBN:978-3-944440-04-0
Schriftenreihe (Bandnummer):IVW-Schriftenreihe (108)
Verlag:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Verlagsort:Kaiserslautern
Betreuer:Ulf Breuer
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Veröffentlichungsdatum (online):07.08.2017
Datum der Erstveröffentlichung:13.12.2013
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:13.12.2013
Datum der Publikation (Server):08.08.2017
Seitenzahl:XIV, 191
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)