Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beim Schäumen und Diffusions-Verschweißen von Polybutylenterephthalat-Partikelschäumen (E-PBT)

Titelangaben

Kuhnigk, Justus:
Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beim Schäumen und Diffusions-Verschweißen von Polybutylenterephthalat-Partikelschäumen (E-PBT).
Bayreuth , 2024 . - XI, 167 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Neben den etablierten Partikelschäumen aus Massenkunststoffen wie Polystyrol (expandierbares Polystyrol, EPS), Polyethylen (expandiertes Polyethylen, EPE) und Polypropylen (expandiertes Polypropylen, EPP) wird an der Entwicklung temperaturbeständigerer Partikelschäume aus dem technischen Thermoplasten Polybutylenterephthalat (E-PBT) geforscht. Die Formteilkonsolidierung von Partikelschäumen erfolgt in der Regel nach dem Dampfverschweißprozess. Standau et al. [1] konnten bereits zeigen, dass im Falle des E-PBT keiner der etablierten Verschweißmechanismen, wie im Falle von EPS (Kettendiffusion ausgelöst durch Erwärmen oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg) oder EPP (Erzeugen eines Doppelschmelzpeaks und Aufschmelzen der niedrig schmelzenden Kristalle zur Verschweißung) zum Tragen kommt. Derzeit ist das Verschweißen von PBT-Schaumpartikeln nur durch Modifikation mit einem epoxidgruppenhaltigen chain extender (CE) möglich. Dieser löst bisher nicht aufgeklärte, strukturelle Veränderungen aus. CE modifiziertes E-PBT verschweißt (190-205 °C) deutlich unterhalb seiner Schmelztemperatur (» 223 °C), aber oberhalb Tg. In diesem Zusammenhang wurden in der Literatur bereits Hypothesen vorgelegt, um mögliche Erklärungsansätze für den abweichenden Mechanismus von E-PBT zu liefern. Bislang konnten allerdings keine Hinweise für die Gültigkeit dieser Annahmen gefunden werden. Somit ist der Prozess des Verschweißens für E-PBT-Partikelschäume bisher nicht vollständig verstanden. Die Aufklärung der ablaufenden physikalischen Vorgänge in der Grenzfläche benachbarter PBT-Partikel bildet somit den Forschungsschwerpunkt der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit. Zunächst wurde untersucht, inwiefern die Verschweißbarkeit von E-PBT vom Kristallisationsverhalten abhängt und letzteres durch die chemische Modifizierung mit einem epoxidgruppenhaltigen CE verändert wird. Die thermische Charakterisierung zeigte, dass PBT-Partikelschäume innerhalb der Kavität im Formteilautoamten im Verschweiß-Temperaturbereich zu Kaltkristallisationsprozessen befähigt sind. Polymerketten des unmodifizierten E-PBT benachbarter Partikel werden in ihrer Diffusion durch zu früh einsetzende Kaltkristallisation eingeschränkt. Durch CE-Modifizierung wird das Kristallisations- und auch das Kaltkristallisationsvermögen im Verschweiß-Temperaturbereich erheblich herabsetzt. Der verzögerte Einsatz der Kaltkristallisation verlängert die Zeit, in der Ketten des verbleibenden amorphen Anteils über die gemeinsame Grenzfläche benachbarter CE-modifizierter Partikel diffundieren können. Anschließend können die verschlauften Polymerketten in der gemeinsamen Grenzfläche kokristallisieren. Folglich erfordert die Verschweißung von PBT-Partikeln eine angepasste Kristallisationskinetik. Prozesstechnisch konnten die thermischen Eigenschaften der Partikeloberflächen über die Variation der Wassertemperatur in der Unterwassergranulierungseinheit (UWG) gesteuert werden. Dadurch ließ sich das Verschweißverhalten der PBT-Partikel abhängig von der UWG-Wassertemperatur beeinflussen. In Anlehnung an die chemische Modifizierung mit einem CE, wurden anschließend systematisch variierte PBT-Kettenarchitekturen eingesetzt, um den Einfluss der chemischen Struktur auf das Verschweißverhalten zu verstehen. Hier wurde der Einfluss des PBT-Molekulargewichts Mw linearer PBT-Materialien bzw. der Einfluss des Verzweigungsgrades auf das Verschweißverhalten herausgearbeitet. In diesem Zusammenhang wurden geeignete Analysemethoden für die Charakterisierung von Einzelpartikeln etabliert, mit Hilfe derer neue, bislang nicht literaturbekannte Korrelationsbezüge zum Verschweißverhalten herausgearbeitet werden konnten.

Abstract in weiterer Sprache

In addition to established bead foams made from commodity plastics such as polystyrene (expandable polystyrene, EPS), polyethylene (expanded polyethylene, EPE) and polypropylene (expanded polypropylene, EPP), research is underway to develop more temperature-resistant bead foams made from engineering thermoplastic polybutylene terephthalate (E-PBT). The shape consolidation of bead foams is usually done by the steam chest molding process. Standau et al. [1] have already shown that none of the established welding mechanisms such as EPS (chain diffusion triggered by heating above the glass transition temperature Tg) or EPP (generation of a double melting peak and melting of the low melting crystals for welding) are used for E-PBT. Currently, welding of PBT bead foams is only possible by modification with an epoxy group-containing chain extender (CE). This triggers structural changes that have not yet been clarified. CE modified E-PBT welds (190-205 °C) well below its melting temperature (223 °C), but above Tg. In this context, hypotheses have already been presented in the literature providing possible explanations for the divergent mechanism of E-PBT. However, no evidence for the validity of these assumptions has been found so far. Thus, the process of welding E-PBT bead foams is not yet fully understood. Therefore, elucidating the physical processes occurring at the interface between neighboring PBT beads is the focus of the present scientific work. First, the extent to which the weldability of E-PBT depends on the crystallization behavior and the latter is modified by chemical modification with an epoxy group-containing CE was investigated. Thermal characterization revealed that PBT bead foams within the cavity in the molding machine are capable of cold-crystallization processes in the welding temperature range. The polymer chains of the unmodified E-PBT of neighboring beads are restricted in their diffusion due to the cold crystallization starting too early. The CE modification significantly reduces the crystallization and also the cold crystallization ability in the welding temperature range. The delayed onset of cold crystallization prolongs the time for the chains of the remaining amorphous fraction to diffuse across the common interface of neighboring CE-modified beads. As a result, the entangled polymer chains can co-crystallize at the common interface. Consequently, the welding of PBT beads requires adjusted crystallization kinetics. In process technology, the thermal properties of the bead surfaces could be controlled by varying the water temperature in the underwater pelletizing unit (UWG). This made it possible to influence the welding behavior of the PBT beads as a function of the UWG water temperature.