Generierung und Modifikation thermoplastischer Vulkanisate (TPV)

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung eines neuartigen thermoplastischen Vulkanisats sowie die Modifikation eines kommerziellen thermoplastischen Vulkanisats durch Faserverstärkung. Eine Einführung in den Aufbau der thermoplastischen Vulkanisate sowie der zugehörigen Aufbereitungstechnik ist für das Verständnis der Arbeit unerlässlich. Die Generierung eines thermoplastischen Vulkanisats auf Basis von Polyamid 12 und einem Ethylen/Octen-Copolymer wird beschrieben. Die Herstellung des dazu notwendigen Verträglichkeitsmachers durch Pfropfung des Ethylen/Octen-Copolymers mit Maleinsäureanhydrid wird vor dem Hintergrund der Eignung verschiedener Peroxide als Initiatoren aufgezeigt. Von den beiden gewählten Vertretern erweist sich nur ein Peroxid als dienlich. Mit der Erläuterung des angewandten Verfahrensschemas wird zur Aufbereitung des thermoplastischen Vulkanisats übergeleitet. Wesentliches Kriterium für ein optimales thermoplastisches Vulkanisat ist die möglichst vollständige Vernetzung der Weichphase. Für das herzustellende Zweiphasensystem bedeutet dies, dass eine geeignete Vernetzerrezeptur ermittelt werden muss. Durch reines Peroxid wird eine unbefriedigende Vernetzung erreicht, einzig die zusätzliche Anwendung einer Coagens bewirkt das gewünschte Resultat. Durch den dynamischen Vernetzungsprozess wird auch die Struktur des thermoplastischen Vulkanisats beeinflusst. Ebenso wirken sich unterschiedliche Verträglichkeitsmachermengen auf die Morphologie aus. Ist der optimale Gehalt an Verträglichkeitsmacher bestimmt, bei dem die Zugfestigkeit hoch und die Reißdehnung nicht wesentlich verringert ist, wird die Härte des thermoplastischen Vulkanisats durch Zuaddieren eines niedermolekularen Zusatzstoffs (Extender) reduziert. Im abschliessenden Entwicklungsschritt wird das optimale Schneckenkonzept für die Blendaufbereitung erarbeitet und seine Bedeutung für die erzielbaren Eigenschaften des thermoplastischen Vulkanisats herausgestellt. Dabei wird aufgezeigt, dass das Schneckenkonzept von zentraler Bedeutung für die Vernetzung und für die Morphologie der Elastomerphase ist. Im zweiten Teil der Arbeit wird, aufbauend auf den Grundlagen der Faserverstärkung von Polymeren, ein Verfahrensschema für die Einarbeitung von synthetischen Fasern in ein thermoplastisches Vulkanisat entworfen. Die Eigenschaften der Komponenten des zu generierenden Verbundwerkstoffs, ein thermoplastisches Vulkanisat auf Basis von Polypropylen/Ethylen-Propylen-Dien-Elastomer und Polyethylenterephthalat-Fasern, wurden in das Konzept miteinbezogen. Die Ablängung der Polyethylenterephthalat-Faserrovings wird ausführlich beleuchtet, da dieser Vorgang entscheidend für den weiteren stabilen Verarbeitungsprozess ist, jedoch in bisherigen Veröffentlichungen kaum analysiert wurde. Um merkliche Festigkeitssteigerungen bei Composites zu erzielen, muss eine Anbindung der Polyethylenterephthalat-Fasern an die Polymermatrix erfolgen. Dies wird durch die Addition verschiedener Typen von Haftvermittlern zielführend realisiert. Die Art der eingesetzten Haftvermittler verändert temperaturabhängig die Gestalt der Fasern, was sich wiederum auf die mechanischen Eigenschaften des Composites auswirkt. Schlussendlich wird die Faserlänge und Faserlängenverteilung in Abhängigkeit von den verwendeten Schneckenelementen, von der Prozesstemperatur und von der Schneckendrehzahl beleuchtet. Das durchgängige Aufbereitungs- und Verstärkungskonzept wird im Rahmen der Arbeit detailliert beschrieben und eingehend erläutert.

Thermoplastic vulcanisates are a relatively new class of polymers showing stable growth, especially due to their potential for application-oriented customisation. This thesis demonstrates the feasibility of producing a thermoplastic vulcanisate with improved chemical resistance and a low glass transition temperature and a likewise thermoplastic vulcanisate with a high tensile strength as well as a preferably high-leveled elongation at break. One way to achieve this aim is to generate a thermoplastic vulcanisate, where feedstocks out of polyamide 12 and ethylene/octene copolymer are optimally combined. Another approach is the modification of a commercial polypropylene/ethylene-propylene-diene rubber based thermoplastic vulcanisate by fibre-reinforcement. The resulting two-phase material is compatibilised by a maleinated amount of the soft phase. When selecting the peroxide, which initiates the graft reaction, it is important to note, that the type of peroxide accounts different efficiencies. In this thesis, only one of the two considered peroxides is suitable for generating the compatibilizer. The process design for producing the thermoplastic vulcanisate is focused on perfect crosslinking of the soft phase. Crosslinking is the most important part in the formation of a thermoplastic vulcanisate, because it not only influences the morphology, but also mechanical characteristics. Therefore an applicative composition and quantity of the crosslinking agent is determined. The crosslinking is only satisfying when using a coagent together with the peroxide. The structure of the material is also influenced by the amount of compatibilizer used. When ascertained the content, which causes the highest tensile strength and a relatively high elongation at break, the hardness of the material is reduced by a plasticiser. The screw design, used for the production of the thermoplastic vulcanisate, is furthermore adjusted. It is pointed out, that the screw design is of central significance for crosslinking and morphology of the thermoplastic vulcanisate. For deploying fibre reinforcement, polyethylene terephthalate fibres are adopted. The guarantee for a continuous extrusion process is a reliable cutting of the fibres. A thermoplastic and a thermoset adhesive agent enhance the bond of fibres and thermoplastic vulcanisate. These components affect the fibre length, as do process temperature, distributive acting screw elements and screw speed. Finally the exerted influence on the fibres’ shape is recorded and the relevance for mechanical properties of the thermoplastic vulcanisate is demonstrated.