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Die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen teilkristallinen Kunststoffen sind stark an ihre Morphologie gekoppelt, welche wiederum von der Orientierung der Makromoleküle, den Eigenspannungen und insbesondere von der supermolekularen Struktur, erzeugt durch die Kristallisation während der Verarbeitung abhängt.

Ziel dieser Untersuchung ist, den Einfluss verschiedener Nanopartikel auf die Morphologie und Morphologiebildung und lokale mechanische Eigenschaften von Polypropylen zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung von Proben, die unter praxisrelevanten Bedingungen hergestellt wurden. Daher wurde ein Großteil der Untersuchungen an spritzgegossenen Probekörpern oder an im Labor unter praxisrelevanten Abkühlbedingungen hergestellten Proben vorgenommen. Die Untersuchungen sollen letztendlich dazu beitragen den Zusammenhang zwischen praxisrelevanter Verarbeitung, Morphologie und Eigenschaften für die Klasse der polymerbasierten teilkristallinen Nanokomposite exemplarisch aufzuklären und letztendlich besser verstehen zu können.

Anhand der DSC-Untersuchungen konnten abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit verschiedene Morphologien in den Materialien nachgewiesen werden. Bei reinem Polypropylen sowie bei SiO2 -gefülltem PP bildet sich die α-Phase bei Abkühlgeschwindigkeiten von 0,03 K/s bis 700 K/s aus. Bei Abkühlgeschwindigkeiten kleiner 1 K/s bilden sich zudem eine β-Struktur aus. Bei Geschwindigkeiten zwischen 100 K/s bis 700 K/s ist thermoanalytisch zudem eine Mesophase nachweisbar. Oberhalb 700 K/s ist keine Kristallisation mehr feststellbar. TiO2 -gefülltes Polypropylen kristallisiert dagegen in einem weiten Abkühlgeschwindigkeitsbereich zwischen 0,03 K/s bis 2500 K/s ausschließlich in der -Form. Isotherme Untersuchungen bestätigen, dass bei hohen Kristallisationstemperaturen eine heterogene Keimbildung den Kristallisationsprozess dominiert, wobei bei niedrigen Temperaturen die dominiert werden, während bei niedrigen Temperaturen materialabhängig die homogene Keimbildung (mesophase) kristallisationsbestimmend ist.

Untersuchungen der Sphärolithbildung im Heiztisch unter dem Polarisationsmikroskop bestätigen, dass nicht Wachstum den Kristallisationsprozess aller untersuchten Materialen bestimmt, sondern vorrangig die Dichte und Geschwindigkeit der Nukleierung. Insgesamt führt dies jedoch zu einer schnelleren Kristallisation, was gegebenenfalls die Entformungszeit reduziert und somit Potenziale zur Zykluszeitverkürzung in der Praxis aufzeigt.

Die Mikrozugversuche zeigen, dass die Morphologie tatsächlich das mechanische Verhalten bestimmt. Unterschiedliche Schichten über die Wandstärke mit unterschiedlicher supermolekularer Struktur zeigen insbesondere Unterschiede in der Zugfestigkeit als auch in ihren Deformationsverhalten. Bei ungefüllten Polypropylen nimmt die Zugfestigkeit von der die Werkzeugwand kontaktierenden Schicht in Richtung Kern zu. Dies ist auf den höheren Kristallisationsgrad und eine größere Sphärolithgröße von Rand zum Zentrum der Proben zurückzuführen. Bei PP-Nanokompositen nimmt die Zugfestigkeit mit der Zugabe von Nanopartikeln ab grundsätzlich ab. Der Trend von Rand zur Mitte der Wand bleibt aber identisch.

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Buncha Suksut
Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe
Technische Universität Kaiserslautern

Informationen

Freie Schlagwörter: Spritzgießen, Morphologie, Polymer-Nanokomposite, Thermische Analyse, Kristallisation
Institut / Lehrstuhl: Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern
Sprache: Englisch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Alois K. Schlarb (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt
Erscheinungsjahr: 2016
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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