Einfluss von Morphologie und struktureller Anisotropie auf die thermo-mechanischen Eigenschaften spritzgegossener PP- und PA6-Werkstoffe (English shop)

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Das Spritzgießen thermoplastischer Werkstoffe stellt einen komplexen Prozess dar. Die Eigenschaften kristallisationsfähiger Werkstoffe werden maßgeblich durch die aus dem Spritzgießprozess resultierende Morphologie und strukturelle Anisotropie bestimmt. Trotz einer laufenden Perfektionierung des Verfahrens besteht noch Bedarf und Potenzial zur Verbesserung durch eine kontrollierte Strukturbildung unter Berücksichtigung von Kettenorientierung und Kristallisation im Zusammenspiel zwischen Prozessbedingungen und jeweiliger molekularer Charakteristik. In dieser Arbeit werden daher der Einfluss des Gegentaktspritzgießprozesses zur Erreichung einer definierten und besonders hohen molekularen Orientierung sowie eines Keimbildners auf die Morphologie, strukturelle Anisotropie und die thermo-mechanischen Eigenschaften exemplarisch an gegentaktspritzgegossenen Polypropylen- und konventionell verarbeiteten Polyamid-6-Materialien untersucht.

Gegentaktspritzgegossenes Polypropylen
Mittels Röntgenweitwinkelbeugung konnten im äußersten Mantelbereich der unverstärkten Materialien Kristallite der -Modifikation in einem signifikanten Anteil nachgewiesen werden. Die übrigen Bereiche sind durch die -Modifikation gekennzeichnet. Die untersuchten PP-Materialien weisen die für die -Modifikation typische cross-hatched-Struktur nur in einem Bereich zwischen innerer Mantel- und äußerer Kernschicht auf. Mit TEM-Untersuchungen konnten in der äußersten Mantelschicht eine Lamellenorientierung senkrecht zur Verarbeitungsrichtung dokumentiert werden. AFM-Untersuchungen zeigen im Bereich der Mantelschicht in Verarbeitungsrichtung orientierte makrofibrillare Strukturen. Die Morphologie der unverstärkten gegentaktspritzgegossenen Polypropylen-Werkstoffe wurde bisher nicht in dieser Breite charakterisiert.

• Weiterhin fand erstmals eine intensive Untersuchung und Quantifizierung des anisotropen Orientierungszustandes unverstärkter gegentaktspritzgegossener Materialien mittels Röntgenbeugung statt. Über den Hermans’schen Orientierungsparameter und die Halbwertsbreite der WAXD-Intensitäten entlang eines Debye-Rings konnte die Orientierungsverteilung senkrecht zur Verarbeitungsrichtung ermittelt werden.
• Mittels mikromechanischer AFM-Messungen auf Basis von Kraft-Weg-Kurven wurde erstmals für gegengetaktete Materialien die Untersuchung der lokalen Steifigkeit am Beispiel der unverstärkten Werkstoffe durchgeführt. Im Mantelbereich wurden im Vergleich zum Kernbereich höhere Steifigkeiten ermittelt.
• Die Differenzen zwischen experimentell bestimmten Steifigkeiten der glasfaserverstärkten Proben und den mittels Halpin-Tsai-Modell vorhergesagten Werten wurden erstmals als Güte der Faser-Matrix-Haftung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Orientierungszustände und Faserlängenverteilung interpretiert. Verifiziert wurden die Ergebnisse durch rasterelektronenmikroskopische Abbildungen der Grenzschicht.
• Detailliert wurde die Faser-Matrix-Grenzschicht hinsichtlich Dicke und Form (Verzahnung zwischen Matrix und Grenzschicht) untersucht. Mittels einer Methodenkombination aus Faserorientierungsmessungen und Untersuchungen zur Faser-Matrix-Haftung konnten die Unterschiede im mechanischen Verhalten der beiden faserverstärkten Materialien analysiert werden.

Nukleiertes Polyamid 6
Am Beispiel eines Keimbildners auf Basis eines kurzkettigen Polyamids wurden neuartige Effekte einer Nukleierung auf Morphologie, strukturelle Anisotropie und thermo-mechanische Eigenschaften von Polyamid-6-Materialien untersucht. Das Additiv ist aufgrund seines polymeren Charakters (im Vergleich zu traditionellen inorganischen Additiven wie Talkum) und seinem hohen Potenzial für Wasserstoffbrückenbindungen von großem Interesse.

• Die Nukleierung bewirkt eine Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen der maximalen Kristallisationsrate. Die Auswirkungen auf die sphärolithische Morphologie sind beträchtlich. Mit zunehmendem Nukleierungsmittelanteil wurde eine deutliche Verringerung und Vergleichmäßigung der Sphärolithgröße erreicht. Bei gleichbleibenden Verarbeitungsparametern wurde jedoch für die untersuchten Keimbildneranteile kein signifikanter Einfluss auf den Kristallinitätsgrad nachgewiesen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Glasfasern keimbildende Wirkung besitzen können. Innerhalb der untersuchten Verarbeitungsbedingungen hatte die Nukleierung keine Auswirkungen auf die Faserorientierungen.
• Für die faserverstärkten Materialien wurden durch Kraftfeld- und Rasterelektronenmikroskopie transkristalline Bereiche entlang der Glasfasern charakterisiert. Die geringsten Schichtdicken wurden bei höchster Nukleierung erhalten. Mittels Kraft-Weg-Kurven-basierten kraftfeldmikroskopischen Abbildungen (Pulsed-Force-Mode) wurde eine höhere Steifigkeit für die transkristallinen Bereiche nachgewiesen.
• Der Einfluss der Nukleierung auf die thermo-mechanischen Eigenschaften unter gleichen Verarbeitungsbedingungen war beträchtlich. Bei den mechanischen Eigenschaften konnte insbesondere die Steifigkeit erhöht werden. Erstmals wurde nachgewiesen, dass eine Nukleierung die Wärmeformbeständigkeit nach Martens deutlich steigern kann. Sie wirkte sich jedoch nicht signifikant auf die thermische Längenänderung aus. Aufgrund eines nahezu identischen Kristallinitätsgrads und vergleichbarer Werte der Faserorientierung für unterschiedliche Keimbildneranteile bei gleichen Verarbeitungsbedingungen werden die Unterschiede im thermo-mechanischen Verhalten auf die Morphologieänderungen zurückgeführt. Dies stellt einen Ansatz dar für eine kosteneffektive und substantielle Verbesserung der thermischen Stabilität.
• Weiterhin wurde die Auswirkung der Nukleierung auf die Verarbeitungsschwindung der Materialien untersucht. Durch die Einführung und Definition des Begriffs „relative Schwindung“ als Quotient aus Schwindung in Längs- und Querrichtung, konnten die experimentellen Schwindungsergebnisse bezüglich anisotroper Eigenschaften charakterisiert und die Interpretation deutlich erweitert werden. Trotz höherer absoluter Schwindungswerte resultierte eine Nukleierung bei unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen insgesamt in einer deutlich gleichmäßigeren Schwindung, was von technischer Bedeutung ist.

Die Untersuchungen auf mehreren Strukturebenen (nanoskopisch: Kristallite und Lamellen; mikroskopisch: fibrillare bzw. sphärolithische Morphologie, Faser-Matrix-Grenzschicht, Faserorientierungen, mikromechanische AFM-Untersuchungen; makroskopisch: Kern-Mantelschichten, thermo-mechanische Eigenschaften) führten für die gewählten Polypropylen- und Polyamid-6-Materialien zu einem verbesserten Gesamtbild der Morphologie und strukturellen Anisotropie sowie einem erweiterten Verständnis der Morphologie-Eigenschafts-Korrelationen unter den Bedingungen einer Spritzgießverarbeitung.