Die vorliegende Arbeit untersucht die triboelektrische Aufladung von Kunststoffen in der Wirbelschicht, wobei die Aufladung der einzelnen Kunststoffe im Mittelpunkt steht. Parallel dazu erfolgt die Charakterisierung der Kunststoffoberfläche, u.a. hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Lewis-Säure/Base-Eigenschaften und ihres spezifischen Oberflächenwiderstandes. Ausgehend vom Aufladungsverhalten der einzelnen Kunststoffe werden die Zusammenhänge zwischen der triboelektrischen Aufladung der Kunststoffe und ihren Oberflächeneigenschaften aufgezeigt und daraus auf das Aufladungsverhalten der Komponenten in Zwei- bzw. Mehrkomponenten-Gemischen geschlossen. Das Aufladungsverhalten der einzelnen Kunststoffe sowie das der Komponenten in einem Kunststoffgemisch wird bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit durch die Elektronen-Akzeptor/Donator-Eigenschaften der Kunststoffoberfläche bestimmt. Diese können mit den Lewis-Säre/Base-Parametern charakterisiert werden.

Die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von PVC-Profilen ist von zentraler Bedeutung in der PVC-Industrie. Das Ziel der vorliegenden Arbeit lag darin, eine neue Messmethode zur schnellen Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von PVC-Materialien mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) zu entwickeln. Bei PVC-Produkten stellt der Geliergrad ein wichtiges Maß zur schnellen Bewertung der mechanischen Eigenschaften dar. Studien haben ergeben, dass die optimalen mechanischen Eigenschaften meist bei Geliergraden zwischen 70 und 80 % (je nach PVC-Rezeptur) erreicht werden. Die Parameter einer Extrusionsanlage werden daher so eingestellt, dass sich für das Profil ein Wert in diesem Bereich ergibt. Die Zusammenhänge zwischen Geliergrad, mechanischen Eigenschaften (u. a. Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit), Kristallinität, Oberflächestruktur (mit REM- und AFM-Aufnahmen beobachtet) und mittels DMA ermittelten Kennwerten von PVC-Profilen wurden untersucht. Die dynamisch-mechanische Analyse fand unter Zug (Belastungsart, die sich am besten zur Messung von thermoplastischen Kunststoffen eignet) mit einer Deformation von 5 mm, bei einer Frequenz von 1 Hz und mit einer Heizrate von 5 K/min (zwischen Raumtemperatur und 100 °C) unter Luft statt. Durch DMA-Messungen war es möglich, PVC-Rezepturen, die bei unterschiedlichen Parametern verarbeitet wurden, zu untersuchen, um die optimalen Extrusionsparameter festzulegen, ohne den Geliergrad ermitteln zu sollen. DMA-Untersuchungen sind auch zur Optimierung von Extrusionswerkzeugen geeignet, da die mittels DMA ermittelten Kennwerten an Proben, die an unterschiedlichen Stellen eines Profils entnommen wurden, gemessen werden kann. Dadurch kann ein Werkzeug so optimiert werden, dass an verschiedenen Stellen eines Profils gleichmäßig gute mechanische Eigenschaften vorhanden sind.

Im Luftfahrtbereich haben sich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten längst als Konstruktionswerkstoffe etabliert. In der Großserienfertigung von Automobilkarosserien kommt diese Materialgruppe jedoch nur zögerlich zum Einsatz. Offensichtlich sprechen noch viele Argumente für den Einsatz von metallischen Werkstoffen: Denn auch Leichtmetalle und pressgehärtete Stähle ermöglichen immer höhere Leichtbaugrade, ohne dabei signifikante Kostensteigerungen zu generieren. Zudem sind Fertigungs- und Montageabläufe für Metallkarosserien etabliert und weitgehend frei von Entwicklungsrisiken. Vor diesem Hintergrund erscheint es schwer, mit neuen Leichtbaumaterialien und den zugehörigen Bauweisen einen Durchbruch erzielen zu können. Dabei zeigt das Produktsegment der Supersportwagen schon deutlich, dass zusätzliche Leichtbaupotentiale durch beanspruchungsgerecht gestaltete und optimierte CFK-Strukturen für den Automobilbau eröffnet werden. Bislang lassen sich derartig optimierte CFK-Strukturen jedoch kaum wettbewerbsfähig in Großserie realisieren. An dieser Stelle ergeben sich Chancen und zugleich neue Herausforderungen für die Produktentwickler: Zum einen sind Faserverbundbauweisen zu erarbeiten, mit denen die Leichtbaupotentiale von CFK weitgehend ausgereizt werden. Zum anderen ist die automatisierte Fertigung bei hohen Taktraten zu ermöglichen. Die Lösung beider Teilaufgaben setzt den Einsatz geeigneter materialspezifischer Konstruktionsmethoden voraus.

Da Kunststoffe im Allgemeinen einen spezifischen Oberflächenwiderstand von >10E12 Ω besitzen, müssen die Materialien zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen bei Bauelementen der Elektroindustrie antistatisch ausgerüstet werden. Durch elektrostatische Aufladungen können die Bauelemente eine Beeinträchtigung ihrer Funktion erfahren und Personen gefährden. Weiterhin ermöglicht die Absenkung des spezifischen Oberflächenwiderstandes eine elektrostatische (Pulver-)Lackierung. Für die Herstellung von Kunststoffen mit kleinem spezifischen Durchgangswiderstand ist der Zusatz von leitenden Substanzen, wie z. B: Leitfähigkeitsruß, Graphit, Eisenoxid-, Kupfer- oder Aluminiumteilchen, metallisierte Glasfasern oder –kugeln, Edelstahlfasern oder Kohlenstofffasern, üblich. Die Substanzen werden dabei physikalisch in die Polymermatrix eingemischt. Je höher der Volumenanteil der Additive für die benötigte Ableitfähigkeit bezogen auf die Gesamtrezeptur ist, desto größer ist jedoch auch der Einfluss dieser Additive auf die mechanischen Eigenschaften in Relation zum unadditivierten Ausgangsmaterial. Unterschiedliche Polaritäten und Oberflächenspannungen von Additiv und Matrix bedingen zudem Probleme bei der Homogenisierung der Additive in der Matrix. Eine homogene Verteilung über das Volumen ist jedoch Voraussetzung dafür mit möglichst wenig Additiv die Perkolationsschwelle zu erreichen. Aus dieser Sicht hat sich eine reaktive Ankopplung von leitfähigen Gruppen an Matrix- oder sonstige geeignete Rezepturbestandteile in der Vergangenheit, z.B. für MDF, als erfolgreicher Weg erwiesen. Ziel war es, dieses Konzept auf duroplastische Kunststoffe zu übertragen und dessen spezifischen Oberflächenwiderstand von >10E12 Ω abzusenken. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Materialien SMC (Sheet molding compound) und Epoxidharzlaminate eine antistatische Ausrüstung erhalten.

In der Arbeit werden die Möglichkeiten der Abschirmung elektromagnetischer Wellen durch spritzgegossene Kunststoffgehäuse aus stahlfasergefüllten Thermoplasten untersucht. Beginnend mit einer Erläuterung der Abschirmprinzipien, werden die verschiedenen Verfahren zur Schirmdämpfung erläutert und ein Überblick der elektrisch leitfähigen Kunststoffcompounds gegeben. Weiterhin werden Verfahren zur Messung der Schirmdämpfung und Leitfähigkeit vorgestellt. Der experimentelle Teil befasst sich mit der Charakterisierung der Materialeigenschaften. Es wird der Einfluss von Faserfüllgrad und -länge experimentell untersucht und mit Modellansätzen zur Beschreibung der Schirmdämpfung und Leitfähigkeit verglichen. Die Untersuchung des Verarbeitungsverhaltens beim Spritzgießen beinhaltet die Beschreibung des rheologischen Verhaltens stahlfasergefüllter Thermoplaste sowie die Auswirkungen der Prozessbedingungen und der Bindenahtbildung auf die Schirmwirkung. Ausführungen zum konstruktiven Einfluss auf die Schirmdämpfung unter Betrachtung der Gestaltungsmöglichkeiten der Gehäuseverbindung und möglicher Aperturen schließen die Arbeiten ab.

Ziel dieser Arbeit war es, neue Methoden in der Rasterkraftmikroskopie (SFM) zu entwickeln und an polymeren Materialien zu demonstrieren. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur voll automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von ~ 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens demonstriert. Die nasschemische Abtragung der Probe und das Entfernen der Ätzrückstände erfolgt dabei automatisch und in situ in einer Flüssigkeitszelle des Rasterkraftmikroskops. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe eines implementierten Kreuzkorrelations-Algorithmus korrigiert. Darüber hinaus wird durch Kombination der Nanotomographie mit dem bimodalen Messprinzip die laterale Auflösung dieser Methode am Beispiel von elastomerem Polypropylen deutlich gesteigert. Die mechanischen Oberflächeneigenschaften dieses Polymers wurden mit dynamischen Indentationsexperimenten mit dem Rasterkraftmikroskop bestimmt. Die Auftragung der dissipierten Energie zwischen Spitze und Oberfläche als Funktion der Schwingungsamplitude der Spitze ergibt für die amorphen und kristallinen Bereiche charakteristische Dissipationskurven. Diese lassen Rückschlüsse auf den Dissipationsmechanismus zwischen Messspitze und Oberfläche zu. Damit können zusätzliche Informationen über die mechanische Eigenschaften der Oberfläche des Polymers gewonnen werden. Darüber hinaus werden Erkenntnisse über die lateralen mechanischen Oberflächeneigenschaften von Polymeren durch den Einsatz des frequenzmodulierten Torsionsmodus der Rasterkraftmikroskopie erlangt.

Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.

Durch die Verwendung eines hochgefüllten Compounds aus Haferspelzen in einer Matrix aus Kunststoff ist es möglich tribologisch hochbelastbare Führungs- und Stützelemente für Zug- und Tragmittel im Anwendungsfeld der Fördertechnik aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Die Werkstoffe weisen in Bereichen höherer tribologischer Belastungsintensitäten gegen die getesteten Reibpartner Vorteile hinsichtlich Reibwert und Verschleiß auf. Es werden Ergebnisse bezüglich der Verarbeitung der Spelzen bzw. des Compounds sowie mechanische und tribologische Untersuchungen dargestellt.

Durch die Verwendung eines hochgefüllten Compounds aus Haferspelzen in einer Matrix aus Kunststoff ist es möglich tribologisch hochbelastbare Führungs- und Stützelemente für Zug- und Tragmittel im Anwendungsfeld der Fördertechnik aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Die Werkstoffe weisen in Bereichen höherer tribologischer Belastungsintensitäten gegen die getesteten Reibpartner Vorteile hinsichtlich Reibwert und Verschleiß auf. Es werden Ergebnisse tribologischer Untersuchungen mit verschiedenen Reibpartnern und Oberflächenmodifikationen dargestellt. Der Fokus liegt dabei auf einer 60%/40% Mischung aus Haferspelzen und Polyethylen (PE).

Das in Verbundwerkstoffen auftretende Ablösen des Matrixwerkstoffs vom Füllstoff wird an einer Probe mit einem einzelnen Einschluss unter besonderer Berücksichtigung der Matrix-Füllstoff-Anbindung untersucht. Die verwendete Messtechnik zeichnet sich durch eine direkte, berührungslose, zeit- und ortsaufgelöste (2-D) Erfassung des Ablöseprozesses aus. Des Weiteren ist eine direkte Zuordnung zwischen den makroskopischen Messgrößen (Spannung und Dehnung) und dem lokalen Ablösezustand gegeben. Das Versuchsregime umfasst monotone Zugversuche und Relaxationsexperimente. Darüber hinaus wurde das Zeitverhalten der Ablösung anhand mikroskopischer Aufnahmen ausgewertet. Das Ablösen der Matrix vom Glaskörper wird im Detail analysiert. Das Abklingverhalten der durch den Füllstoff und die Ablösung im Matrixwerkstoff verursachten Störung wird mit dem Verfahren der Grauwertkorrelation untersucht.