Process-induced Long-term Deformation Behavior of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics Injection molding is a very complex process because the polymer experiences a complex thermorheological history during molding that influences the molecular orientation, residual stresses, frozen-in free volume and crystallinity inside the part. These generally govern the final part properties. Therefore it is highly desirable to anticipate the effect of process parameters on the resulting microstructure and mechanical properties of the finished part in the long run. In the case of a semicrystalline thermoplastic part, the problem in understanding the deformation behavior arises from its two-phase structure and a tendency exists to concentrate primarily on the effect of the crystalline phase on the deformation behavior, while the contribution of the amorphous phase is less investigated. In this work, the influence of the processing parameters on the deformation behavior of injection molded semicrystalline thermoplastic parts, viz., syndiotactic Polystyrene (sPS) and Polybutylene terepthalate (PBT), has been monitored through creep. The resulting internal structures due to processing have been determined and the deformation behavior has been analyzed. It has been observed that only the rate of cooling shows a remarkable effect on the long-term viscoelastic behavior of an injection molded semicrystalline thermoplastic part as it influences not only the crystalline, but also the free volume fraction, whereas the different states of frozen-in orientations and pressure-induced densification have only a negligible effect. Besides, physical aging also plays an important role in the deformation behavior of the injection moldings which was manifested with the decrease in the tendency to creep. Therefore, it was suggested that the cooling rate during injection molding and the aging time can significantly affect the long-term deformation behavior of the injection molded semicrystalline thermoplastics. The results also showed that when no significant effect is observed in terms of short-term mechanical properties by changing the processing conditions, but while considering the long-term behavior they show a significant effect.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

No / The advances of the polymer melt flow-induced crystallization behaviour and its influence on mechanical properties of high density polyethylene (HDPE) in micron injection (MI) were studied in the present paper. Analysis of mechanical performance, including yield stress and elongation at break, for samples adopted from different regions in a molded plaque showed that a higher injection speed, a higher mold temperature and a longer cooling time could effectively enhance the yield stress but negatively promoted the ductility. Then, the mechanisms of such variation of mechanical performance and the factors affecting it were investigated by means of differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM) and polarized light microscopy (PLM). The super high shear rate during cavity feeding in MI molding not only induced a typical three-layered structure but also developed a highly oriented fibrously morphological structure in the skin layer. However, such fully oriented morphology was much negative in the interlayer and even could not be observed in the core layer. The results from SEM and PLM observations indicated that the orientation morphology varied significantly through the plaque's cross-section and thickness of the each layer changed with the process parameters and geometric position, and finally led to variation of the mechanical performance.

No / The in-line development of crystalline morphology and orientation during melt extrusion of low density polyethylene (LDPE) tape at nil and low haul-off speeds has been investigated using Small-Angle X-Ray Scattering (SAXS). The processing parameters, namely haul-off speed and distance down the tape-line have been varied and the resulting crystalline morphology is described from detailed analysis of the SAXS data. Increasing haul-off speed increased orientation in the polymer tape and the resulting morphology could be described in terms of regular lamellar stacking perpendicular to the elongation direction. In contrast, under nil haul-off conditions the tape still showed some orientation down the tape-line, but a shish-kebab structure prevails. The final lamellae thickness (similar to 50 angstrom) and bulk crystallinity (similar to 20%), were low at, for all processing conditions investigated, which is attributed to the significant short-chain branching in the polymer acting as point defects limiting lamellae crystal growth. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden in der Rasterkraftmikroskopie, um die Qualität und Interpretierbarkeit von Oberflächenabbildungen auf der Nanometerskala, vor allem jener sehr weicher Proben, entscheidend zu verbessern. Der für polymere und biologische Materialien standardmäßig verwendete intermittierende Kontaktmodus führt auf weichen Oberflächen zu verfälschten Abbildungen der Topographie und der mechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, die einerseits zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie und andererseits Einzelmessungen mit variabler Dämpfung im intermittierenden Kontaktmodus ermöglichen. Die laterale Auflösung beider Methoden liegt dabei im Rahmen herkömmlicher Techniken (< 10 nm). Die Tiefenauflösung konnte im Vergleich zu anderen Methoden um eine Größenordnung auf unter 1 nm verbessert werden. Die neuen Methoden wurden auf einer breiten Palette polymerer Materialien angewandt. Die räumliche Struktur oberflächennaher Bereiche eines Blockcopolymerfilms konnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich genauer abgebildet werden. Gleiches wurde auf elastomerem Polypropylen erreicht. Es konnten weiche, amorphe Deckschichten auf teilkristallinen Polymeren nachgewiesen und vermessen werden, was in der organischen Elektronik eine wichtige Rolle spielen kann. Die innere Struktur selbstangeordneter Nanodrähte aus Oligothiophen-Aggregaten konnte aufgelöst werden und es wurde die Selbstanordnung von Kollagenfibrillen im gequollenen Zustand beobachtet.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden in der Rasterkraftmikroskopie, um die Qualität und Interpretierbarkeit von Oberflächenabbildungen auf der Nanometerskala, vor allem jener sehr weicher Proben, entscheidend zu verbessern. Der für polymere und biologische Materialien standardmäßig verwendete intermittierende Kontaktmodus führt auf weichen Oberflächen zu verfälschten Abbildungen der Topographie und der mechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, die einerseits zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie und andererseits Einzelmessungen mit variabler Dämpfung im intermittierenden Kontaktmodus ermöglichen. Die laterale Auflösung beider Methoden liegt dabei im Rahmen herkömmlicher Techniken (< 10 nm). Die Tiefenauflösung konnte im Vergleich zu anderen Methoden um eine Größenordnung auf unter 1 nm verbessert werden. Die neuen Methoden wurden auf einer breiten Palette polymerer Materialien angewandt. Die räumliche Struktur oberflächennaher Bereiche eines Blockcopolymerfilms konnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich genauer abgebildet werden. Gleiches wurde auf elastomerem Polypropylen erreicht. Es konnten weiche, amorphe Deckschichten auf teilkristallinen Polymeren nachgewiesen und vermessen werden, was in der organischen Elektronik eine wichtige Rolle spielen kann. Die innere Struktur selbstangeordneter Nanodrähte aus Oligothiophen-Aggregaten konnte aufgelöst werden und es wurde die Selbstanordnung von Kollagenfibrillen im gequollenen Zustand beobachtet.

Regular starches contain two principal types of glucan polymers: amylopectin and amylose. The structure of amylopectin is characterized according to the unit chain length profile and the nature of the branching pattern, which determine the alignment of glucan chains during biosynthesis. The organization of glucan chains in amylopectin and their impact on the structure of starch are still open to debate. The location of amylose and its exact contribution to the assembly of crystalline lamellae in regular and high-amylose starch granules also remain unknown. The primary focus of this thesis is the organization and flexibility of glucan chains in crystalline lamellae. The organization and flexibility of glucan chains in native, annealed (ANN), and heat-moisture treated (HMT) normal, waxy, hylon V, hylon VII, and hylon VIII corn starches were examined. This study has shown for the first time that increased amounts of apparent amylose in B-type starches hinder the polymorphic transition (from B to A+B) during HMT. The research has also demonstrated that an iodine-glucan complex transformed the B-type polymorphic pattern of hylon starches into a V-type pattern. The differential scanning calorimetry (DSC) results showed that ANN- and HMT-induced changes were most pronounced in hylon starches. These findings suggest that the glucan tie chains influences the assembly of crystalline lamellae in high-amylose starches. The relationship between the internal unit chain composition of amylopectin, and the thermal properties and annealing of starches from four different structural types of amylopectin was investigated by DSC. The onset gelatinization temperature (To) correlated negatively with the number of building blocks in clusters (NBbl) and positively with the inter-block chain length (IB-CL). The enthalpy of gelatinization (∆H) correlated positively with the external chain length of amylopectin. Annealing results showed that starches with a short IB-CL were most susceptible to ANN, as evidenced by a greater increase in the To and Tm. The increase in enthalpy was greater in starches with long external chains and IB-CLs. These data suggest that the internal organization of glucan chains in amylopectin determines the alignment of chains within the crystalline lamellae and thereby the thermal properties and annealing of the starch granules.