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Optimierung von Steifigkeit/Zähigkeits-Eigenschaften nanoskaliger Polyamid 6-Verbundwerkstoffe durch Analyse von Struktur/Eigenschafts-Korrelationen
(2011) Geier, Simon; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Für die Entwicklung neuer Polymerwerkstoffe ist ein hohes Niveau an steifem und gleichzeitig zähem Materialverhalten von großer Bedeutung. Die kombinierte Einarbeitung von steifen als auch weichen Füllstoffen in eine Polymermatrix zu ternären Stoffsystemen kann hierbei die Steifigkeit/Zähigkeits-Eigenschaften deutlich anheben. Entscheidend für das resultierende Materialverhalten sind neben den Füllstoffeigenschaften und -anteilen eine gute Haftung und Dispergierung der Füllstoffe in der Polymermatrix. Diese hängen sehr stark von der Verarbeitbarkeit und Kompatibilität der Füllstoffe mit der Matrix ab. In dieser Arbeit erfolgte die Optimierung von Steifigkeit/Zähigkeits-Eigenschaften von Polyamid 6. Mittels Schmelzextrusion erfolgte die Einarbeitung nanoskalig strukturierter Füllstoffe in Ultramid® B27 und B40 von BASF. Nanofüllstoffe versprechen schon bei geringen Füllgraden neue Möglichkeiten in der Morphologieausbildung und somit die Nutzung neuer Eigenschaftsfelder der resultierenden Verbundwerkstoffe. Zur Steigerung der Materialsteifigkeit wurden zwei unterschiedlich modifizierte Schichtsilikat-Typen von der Firma Rockwood Clay Additives verwendet. Eine Kompensation der zähen Eigenschaften erfolgte durch den Einsatz eines nanoskalig strukturierten Polyamid 6/Polyether-Blockcopolymers (Nyrim®) der Firma BrüggemannChemicals. Nach einer Analyse und Optimierung der 2-Stoffsysteme erfolgte der Transfer der Erkenntnisse zur Entwicklung eines 3-Stoffsystems. Für das 2-Stoffsystem PA 6 und Schichtsilikat konnte nach einer Optimierung des Herstellungsprozesses ein hoher Exfolierungsgrad unter der Verwendung des Schichtsilikates Cloisite® 93A erzielt werden. E-Modul und Streckspannung von Ultramid® B40 konnten bei einem Füllstoffgehalt von 11 M.-% um 85 % bzw. 35 % gesteigert werden. Ferner belegen morphologische Untersuchungen die Einflussnahme des polaren Schichtsilikates auf die Strukturausbildung des PA 6. Mit zunehmendem Füllstoffgehalt ist die Entstehung der weniger dicht gepackten γ-Modifikation sowie eine Abnahme der Kristallisationskinetik zu beobachten. Hinsichtlich der Steigerung der zähen Eigenschaften von PA 6 stellte sich der Einsatz eines Nyrim® 3000 als effektivstes Weichphasenmaterial heraus. Der Polyetheranteil bei diesem Blockcopolymer beträgt 30 M.-%. Bereits bei einem Füllstoffgehalt von 16,7 M.-% Nyrim® 3000 als partikuläre Weichphase konnte die Schlagzähigkeit von Ultramid® B40 um 450 % gesteigert werden. Darüber hinaus zeigt sich aufgrund der hohen Affinität des Nyrim® 3000 zu PA 6 eine hohe Füllstoff/Matrix-Haftung sowie eine feine Dispergierung mit weichen Domänen kleiner 100 nm. Bei der Herstellung des 3-Stoffsystems interagierte die Weichphase sehr stark mit dem Schichtsilikat, was sich durch einen niedrigen Exfolierungsgrad des Schichtsilikates darstellte. Durch eine Vorkonfektionierung des Schichtsilikates in einem PA 6-Masterbatch konnte diese negative Wechselwirkung aufgehoben werden. Auf Basis der zudosierten Füllstoffanteile kann das zähe bzw. steife Materialverhalten der 3-Stoffsysteme individuell eingestellt werden. Hinsichtlich einer ausgewogenen Balance zwischen Steifigkeit und Zähigkeit stellte sich in dieser Arbeit das 3-Stoffsystem mit 8 M.-% Cloisite® 93A und 16,7 M.-% Nyrim® 3000 als am effektivsten heraus. Der E-Modul konnte hierbei um 40 %, die Streckspannung um 5 % sowie die Schlagzähigkeit um 317 % gesteigert werden. Ferner konnte in Bezug auf das Spannungs-Dehnungs-Diagramm das Materialverhalten im Vergleich zu PA 6 deutlich angehoben werden.