Durch das Einbringen von Additiven, Füll- und Verstärkungsstoffen in eine polymere Matrix oder durch das Blenden unterschiedlicher Polymere ist es möglich, die Eigenschaften von Kunststoffen gezielt auf den Anwendungsfall hin zu optimieren. Gerade durch diese „Einstellbarkeit“ der Eigenschaften und infolge ihrer vergleichsweise geringen Dichte verdrängen Kunststoffe zunehmend klassische Werkstoffe und erobern so neue Anwendungsgebiete. Die Entwicklung solcher innovativer Kunststoffrezepturen (Compounds) ist jedoch zeitaufwendig und kostenintensiv. Um die gewünschten Gebrauchseigenschaften des Endproduktes zu erreichen, ist oft eine Vielzahl unterschiedlicher Zusatzstoffe erforderlich; somit werden entsprechende Rezepturen schnell sehr komplex. Bei der klassischen Materialentwicklung wird zumeist nicht erfasst/ermittelt, welche Synergien die einzelnen Bestandteile - positiver oder negativer Art - untereinander haben. Eine gezielte systematische Untersuchung dieser Synergien mit klassischen Methoden ist aus Kosten- und Zeitgründen kaum möglich. Für eine zeitgemäße Materialentwicklung sind daher neue Methoden gefragt, die eine schnelle Rezepturvariation, gepaart mit einem schnellen Eigenschaftsscreening, ermöglichen.
Mit der Entwicklung des kombinatorischen Compoundier und High Throughput Screening Systems (CC/HTS-Systems) wurde im Rahmen dieser Arbeit eine, auch industriell einsetzbare, Basisanlage für die schnelle Entwicklung von neuen und innovativen Compoundrezepturen erstellt und hinsichtlich der Übertragbarkeit der Ergebnisse verifiziert. Das CC/HTS-System besteht aus:
• einem Doppelschneckenextruder (ZSK 18 MegaLab)
Eine entscheidende Besonderheit dieses System resultiert aus der Möglichkeit, die Materialzufuhr und damit die Zusammensetzung über rechnergesteuerte Dosierwaagen kontinuierlich zu verändern. Die im Vergleich zur klassischen Vorgehensweise somit vorhandene schnelle Rezepturänderung ermöglicht es in kürzester Zeit, eine große Rezepturvielfalt abzuarbeiten.
• einer Flachfolienanlage
Durch die direkte Kopplung der Flachfolienanlage mit der Folienextrusion wird der Rezepturgradient in einer Folie, im Sinne einer 1-dimensionalen Library „eingefroren“.
• integrierten Prüfeinrichtungen
Durch den Einsatz von in das System zu integrierenden unterschiedlichen HTS-Methoden ist eine schnelle und aussagefähige Charakterisierung der so hergestellten Rezepturen direkt online möglich.
Erst diese im Rahmen dieser Arbeit entwickelten und validierten mechanischen Online-Prüfungen, als neue HTS-Methoden, ermöglichen durch deren Integration in das Gesamtsystem ein schnelles Materialscreening, indem die im Rahmen des CC hergestellten Folien (Library) online auf ihre mechanische Performance hin geprüft werden. Die mechanische Online-Prüfeinrichtung wurde so konzipiert, dass drei unterschiedliche Tests simultan in einer Vorrichtung durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um:
• einen Durchstoßversuch,
• einen Weiterreißversuch
(wahlweise in oder travers zur Folienabzugsrichtung),
• einen modifizierten Zugversuch
(wahlweise in oder travers zur Folienabzugsrichtung).
Anhand dieser drei zeitgleich online gemessenen Werkstoffkennwerte sind Aussagen über die wichtigsten mechanischen Eigenschaften - Steifigkeit, Zähigkeit und Festigkeit - abhängig von der Werkstoffzusammensetzung möglich. Die Prüfeinrichtungen für den Zug- und den Weiterreißversuch sind so konstruiert, dass sie sich je nach Entwicklungsaufgabe in der Prüfeinrichtung um 90° drehen lassen, um auch mechanische Eigenschaften in und/oder travers zur Folienabzugsrichtung zu ermitteln. Durch das Entfernen der Kerbmesser in der Prüfeinrichtung des Weiterreißversuchs lässt sich dieser zu einem zweiten Online-Zugversuch umrüsten, um z. B. gleichzeitig in und travers zur Folienabzugsrichtung die Zugfestigkeit zu erfassen. Hierdurch ist es möglich, in einem Prozessdurchlauf das anisotrope Werkstoffverhalten rezeptur- und prozessabhängig zu charakterisieren.
Die Entwicklung der mechanischen Online-Prüfeinrichtung wurde durch stetige Validierung der Prüfergebnisse abgesichert. Als Ergebnis dieser Validierungsschritte ist festzuhalten, dass die online und offline ermittelten mechanischen Eigenschaften gut miteinander korrelieren.
Eine entscheidende Frage beim CC war neben der Korrelierbarkeit der mechanischen Eigenschaften die Zuordnung der Rezepturzusammensetzung - welche sich kontinuierlich infolge der Gradientendosierung verändert - zu den online ermittelten Materialeigenschaften. Hierbei ist das Verweilzeitverhalten des Gesamtsystems, bestehend aus Extruder und Flachfolienanlage, zu berücksichtigen. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden zunächst verschiedene theoretische Modelle auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Double Backflow Cell Model die gewählte Versuchsanordnung am besten beschreibt. Als Ergebnis dieser theoretischen Überlegungen ist festzuhalten, dass für eine gute Korrelation von Rezepturzusammensetzung und online ermittelten Materialeigenschaften nur die System-Totzeit bei hinreichend langer Gradientenzeit zu berücksichtigen ist. Diese Arbeitshypothese konnte durch einen Versuch mittels Gradientenzugabe von Glasfasern von 0 w% auf 30 w% in Polypropylen und anschließender Glührückstandsbestimmung experimentell bestätigt werden.
Im Anschluss an die Entwicklung und Validierung des Gesamtsystems (Gradientendosierung und mechanische Online-Prüfung) wurden die Möglichkeiten des CC/HTS-Systems anhand eines praxisrelevanten Zweistoffsystems, bestehend aus Polypropylen und verschiedenen POEs, welche sich im Viskositätsverhältnis zum Polypropylen und dem α-Olefin-Anteil unterscheiden, aufgezeigt. Durch das Blenden von Polypropylen mit einem Polyolefinelastomer (POE) lässt sich Polypropylen schlagzäh modifizieren. Bei einem solchen Blend aus zwei in der Regel nicht mischbaren Polymeren ist die sich einstellende Phasenmorphologie für das mechanische Werkstoffverhalten von entscheidender Bedeutung. Die Phasenmorphologie, also die Form und Größe der POE-Partikel, in der Polypropylenmatrix ist stark von der ausgewählten POE-Type abhängig.
Um Aussagen zur Blendmorphologie zu erhalten, wurde im Rahmen dieser Untersuchungen die mechanische Online-Prüfung erstmals mit einer Online-Kleinwinkellichtstreuung als HTS-Methoden gekoppelt. Durch die Online-Kleinwinkellichtstreuung ist es möglich, simultan zu den mechanischen Eigenschaften auch online Rückschlüsse auf die Blendmorphologie zu erhalten. Diese Untersuchungen zeigten, wie die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften korrelieren und welche Bedeutung der Auswahl der Blendpartner - des POEs – für das mechanische Werkstoffverhalten zukommt. Interessant war, dass die untersuchten Prozessparameter von untergeordneter Bedeutung für die Performance eines solchen Blends sind.
Abschließend wurde die CC/HTS Methode auf eine industrielle Fragestellung - Dreistoffsystem bestehend aus Polypropylen/Glasfasern/Koppler – angewandt. Die Anwendbarkeit des Systems auch auf komplexere Werkstoffzusammensetzungen wurde dabei bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe dieser Methode / Versuchseinrichtung die Compoundentwicklung deutlich beschleunigt und ressourcenschonender durchgeführt werden kann und die Ergebnisse mit den klassisch erarbeiteten Werten korrelieren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:26907 |
| Date | 09 April 2013 |
| Creators | Barth, Jan |
| Contributors | Heinrich, Gert, Rehahn, Matthias, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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