Functionalization of PP for the enhancement of adhesion between polypropylene and polyamide multilayers

Abstract

The aim of the present work was the production of a polypropylene/polyamide three-layer film without using any tie-layers. These films could find an application, for instance, in the packaging or medical industries. To promote adhesion between the two immiscible polymers, two strategies were used: addition of compatibilizers in the polypropylene (PP) matrix and direct functionalization of the PP matrix with reactive monomers such as maleic anhydride and glycidyl methacrylate. In the first part of the work, the main concern was the PP functionalization by reactive extrusion, using a corotating close intermeshing twin screw extruder. The grafting formulations were variied and cast films produced in order to study the influence of the functionalization components and process parameters on the materials' properties. In general, the material structure modifications due to monomer grafting induced clear impact on the physical properties. The PP degradation through β-scission during the radical initiated reaction caused a diminution of the mechanical characteristics (tensile strength and elongation) as well as the viscosity of the samples with increasing amounts of monomer and peroxide. The crystallisation behaviour was also influenced, showing an increasing crystallisation temperature. Moreover, the modified PP films showed a higher polarity than the pure resin's ones. In the second part of the study, two-layer films were pressed in order to study the influence of the formulations as well as the process parameters (temperature, time, pressure) on the adhesion properties of the PP/PA bonds. T-peel tests were used for the adhesion characterization. Differences were found between the high molecular weight and low molecular weight grafted PP/PA bonds. Hence, it appeared that the molecular weight of the grafted PP played a predominant role on the adhesion performance of the joints. This could be correlated to the cohesiveness of the PP film. Time and temperature were found to be the most influencing factors among the process parameters because they accelerated the diffusion and flow processes as well as the chemical reactions at the interface. A comparison of the two methods (direct grafting and addition of compatibilizers) in terms of adhesion showed that the second strategy led to better results. This trend was confirmed by the coextrusion trials. The variation of the layers formulations and the process parameters was performed. An improved layer adhesion was achieved by using a special coextrusion die exit system. A further challenging work should be done in order to integrate this two-step process, functionalization and coextrusion, into a one-step process.

Die Funktionalisierung von Polypropylen (PP) wurde durchgeführt um eine Verbesserung der Haftungseigenschaften von coextrudierten Schichten aus Polypropylen und Polyamid (PA) zu erreichen. Solche Mehrschichtfolien können beispielweise in der Verpackungs- oder Medizintechnikindustrie Verwendung finden. Im Gegensatz zu bereits praktizierten Herstellungsverfahren sollte auf die als Haftschichten dienende Zwischenschichten (Tie-layers) verzichtet werden. Zwei Strategien wurden angewandt: Die Mischung der Polypropylen-Matrix mit Haftvermittlern und die direkte Pfropfung der Polypropylen-Matrix mit reaktiven Monomeren (Maleinsäureanhydrid, Glycidylmethacrylat). In einem ersten Hauptteil wurde der Schwerpunkt auf die reaktive Extrusion von PP mittels eines gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Zweiwellenextruders gelegt. Dabei wurden die Pfropfrezepturen von Flachfolien variiert, um den Einfluss der Pfropfkomponenten und Prozessparameter auf die Kunststoffeigenschaften zu studieren. Die radikalisch initierte MAH-Modifizierung des PP beeinflusst deutlich die physikalischen Eigenschaften des Materials. Durch die Ketteneinkürzung (β-Spaltung) nehmen die mechanischen Kennwerte, Dehnung und Zugfestigkeit, sowie auch die Viskosität mit steigendem Monomer- und Peroxid-Gehalt ab. Das Kristallisationsverhalten wurde ebenfalls mit einer erhöhten Kristallisationstemperatur modifiziert. Eine Polaritätssteigerung der Folienoberfläche konnte durch Kontaktwinkelmessungen belegt werden. Im Allgemeinen waren die Eigenschaften der gepfropften PP-Muster von der Molmasse sowie von dem PP-Typ stark abhängig. Im zweiten Hauptteil wurden die Haftungseigenschaften der modifizierten PP- und PA-Folien untersucht. Zu diesem Zweck wurden PP/PA-Verbunde mittels einer hydraulischen Presse unter verschiedenen Prozessparametern (Zeit, Temperatur, Druck) hergestellt. Anschließend wurde deren Haftfestigkeit mechanisch mittels Trennversuchen charakterisiert. Das Haftungsverhalten unterschied sich zwischen den hochmolekularen und niedermolekularen gepfropften PP. Allerdings konnte man feststellen, dass die Molmasse eine entscheidende Rolle bei den Haftungseigenschaften spielt, was mit der mechanischen Kohäsion des modifizierten Materials korrelierbar ist. Der Einfluss der Prozessparameter Zeit und Temperatur zeigte sich am wichtigsten aufgrund der Beschleunigung von den Diffusions-, Fließ- sowie Reaktionsvorgängen an der Grenzfläche. Ein Vergleich zwischen PP/PA-Verbunden von der direkten Pfropfungs- und Konzentrat-Methode hat ergeben, dass die zweite Strategie zu den besseren Verbundhaftfestigkeiten geführt hat. Coextrudierte Dreischichtfolien wurden unter Variation der Schichtrezepturen und Prozessparameter anschließend hergestellt. Der gerade erwähnte Trend wurde dabei verifiziert. Es wurde eine verstärkte Haftung zwischen den PP- und PA-Schichten durch die Konstruktion eines Coextrusionswerkzeugs mit verlängertem Düsenaustritt erzielt. Eine interessante verfahrenstechnische Herausforderung wäre im nächsten Schritt die Umwandlung dieses zweistufigen Prozesses (Pfropfung und Coextrusion) in einen einstufigen Prozess.