Low-Density Reactive-Extruded Polybutylene Terephthalate Foams with Enhanced Compressive Properties

Titelangaben

Aksit, Merve:
Low-Density Reactive-Extruded Polybutylene Terephthalate Foams with Enhanced Compressive Properties.
2023 . - XII, 153 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

In dieser Arbeit wird ein neuartiger Weg zur Herstellung von extrudierten Strangschaumstoffen aus Polybutylenterephthalat (PBT) mit niedriger Dichte (< 100 kg/m3) und einer feinzelligen und einheitlichen Morphologie (< 500 µm) vorgestellt. Erstmals wurden organische (1,3,5-Benzetrisamide (BTAs)) und anorganische (Halloysite (HNTs)) Nanoadditive in verschiedenen Konzentrationen (< 1 Gew.-%) sowohl als Nukleierungsmittel für Polymerkristalle von chemisch modifiziertem PBT (mPBT) als auch zur Nukleierung von mPBT-Schaumzellen eingesetzt. Es wurden zwei verschiedene BTAs, ein kommerziell erhältliches BTA (BTA1) und ein maßgeschneidertes BTA (BTA2)) mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften ausgewählt. Unter allen Konzentrationen erwiesen sich 0,08 Gew.- % BTA1 und 0,02 Gew.- % BTA2 als optimale Konzentrationen, die zu den besten Schmelzeigenschaften, der kleinsten Zellgröße und zu Schäumen mit den besten mechanischen Eigenschaften führten. Drucktests ergaben, dass 0,08 Gew.- % BTA1 bei gleicher Schaumdichte eine um 25 % höhere Druckfestigkeit bewirkt, während 0,02 Gew.- % BTA2 eine um 35 % höhere Druckfestigkeit bei etwa 15 % höherer Schaumdichte im Vergleich zu reinem mPBT aufweist. Diese Verbesserung wird auf eine feinere und gleichmäßigere Zellstruktur sowie der intrinsischen Verstärkungswirkung der BTA-Fasern in den Zellwänden und -stegen zurückgeführt. Darüber hinaus wurden extrudierte Schaumstränge aus mPBT auf HNT-Basis auf die gleiche Weise hergestellt wie Schaumstoffe auf BTA-Basis. Die höchste Schmelzfestigkeit, die kleinste mittlere Zellgröße und die höchste Steigerung der Druckfestigkeit (26 %) im Vergleich zum reinen mPBT-Schaum bei gleicher Schaumdichte wurden mit nur 0,02 Gew.- % HNT-Konzentration erreicht. Diese Verbesserung wurde auch der besseren Schaummorphologie und den HNTs in den Zellwänden und -stegen zugeschrieben. Schließlich werden die synergistischen Auswirkungen der Kombination mehrerer Nanoadditive auf die Morphologie und die Druckeigenschaften von mPBT-Schaumstoff vorgestellt. Die Mischung aus HNT und BTA2 führte zu Schäumen mit der kleinsten erreichten Zellgröße (~ 235 µm) und Schaumdichte (75 kg/m3). Die höchste Druckfestigkeit wurde jedoch mit der Mischung aus allen drei Nanoadditiven (BTA1, BTA2 und HNT) bei einer höheren Schaumdichte von 98 kg/m3 erhalten.

Abstract in weiterer Sprache

In this thesis, a novel route to obtain low-density (< 100 kg/m3) extruded strand foams made from polybutylene terephthalate (PBT) with a fine cellular and uniform morphology (< 500 µm) was presented. For the first time, organic (1,3,5-benzenetrisamides (BTAs)) and inorganic (halloysites (HNTs)) nanoadditives at various concentrations (< 1 wt%) were used as both nucleating agents for polymer crystals of chemically post-modified PBT (mPBT) and nucleation of mPBT foam cells. Two different BTAs (commercially available BTA (BTA1) and tailor-made BTA (BTA2)) having discrete chemical nature were selected. Among all concentrations, 0.08 wt% BTA1 and 0.02 wt% BTA2 were found to be optimum concentrations leading to the best melt properties, smallest cell size and foams having the best mechanical performance. Compressive test results exhibited that 0.08 wt% BTA1 results in a 25 % increase in compressive strength at the same foam density, whereas 0.02 wt% BTA2 features a 35 % increase at around 15 % larger foam density compared to the one of the neat mPBT. This enhancement is attributed to the improved foam morphology, including finer and more uniform cellular structure as well as to the intrinsic reinforcing effect of BTA fibers in the cell walls and struts. Furthermore, HNT-based extruded foam strands of mPBT were produced in the same manner like BTA-based foams. The highest melt strength, the smallest mean cell size and the highest increase in the compressive strength (26 %) compared to a neat mPBT foam at the same foam density were achieved with only 0.02 wt% HNT concentration. This improvement was also assigned to a more homogeneous foam morphology and to the presence of HNTs in the cell walls and struts. Finally, synergistic effects of combining multiple nanoadditives on the morphology and compressive properties of mPBT foam were presented. The mixture of HNT and BTA2 resulted in foams with the smallest achieved cell size (~ 235 µm) and a foam density of 75 kg/m3. Yet, the highest compressive strength was achieved with the mixture of all three nanoadditives (BTA1, BTA2 and HNT) at a relatively higher foam density of 98 kg/m3.