Alterungskontrollierte Kristallisation von Polylactid. Teil 3: Steuerung der Kristallisation, Struktur und Eigenschaften von Polylactid-Formteilen durch kontrollierte Keimbildung während und nach dem Spritzgießprozess
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt „Alterungskontrollierte Kristallisation von Polylactid“ hat zu zahlreichen neuen Erkennntnissen geführt, welche sowohl zu einem besseren Verständnis des Langzeitverhaltens nach erfolgter Schmelzeverarbeitung geführt haben als auch die Möglichkeit eröffnen, den Verarbeitungsprozess hinsichtlich der Generierbarkeit spezifischer Strukturen via Kontrolle des Kristallisationsprozesses besser zu steuern. Während Kenntnisse zur Kristallisationskinetik von Polylactid (PLA) bereits vor Duchführung des Projektes vorlagen, haben die durchgeführten Arbeiten qualitativ neue Erkenntnisse zur Keimbildungskinetik erbracht. Hierbei lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf Keimbildungsbedingungen wie diese bei Anwendung von Produkten, also bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, oder bei der Verarbeitung, also während oder nach Scherung der Schmelze, vorliegen. Bezüglich der Keimbildung bei Umgebungstemperatur, wurde zum Beispiel erarbeitet, dass sich im vollkommen amorph erstarrten Material nach etwa 0.3 bei 3 Jahren homogene Kristallisationskeime bilden, die dann bei geringer Temperaturerhöhung zu Kristallen wachsen können. Während dieses Alterungszeitraumes kommt es zu einer Densifizierung des amorphen Materials, was mit einer erheblichen Änderungen von mechanischen Eigenschaften einhergeht. Bezüglich einer möglichen Steuerung des Schmelzeverarbeitungsprozesses, wurde am Beispiel des Spritzgussverfahrens demonstriert, wie Grundlagenwissen über die Keimbildungskinetik in der gescherten Schmelze mit ingenieurtechnischen Wissen über den Verarbeitungsprozess kombiniert werden kann. Auf der einen Seite wurde die Mindestenergie (kritische Fließarbeit) zur scherinduzierten Erzeugung von Kristallisationskeimen bereitgestellt, und zum anderen der Spritzgussprozess unter Nutzung von Simulationssoftware derart ausgelegt, dass dieses Kriterium erfüllt wurde. Damit es möglich, dass die Kristallisation von PLA im Schmelzeverarbeitungsprozess, sowohl über die Temperaturführung als auch den mechanischen Energieeintrag, über die Erhöhung der Keimzahl deutlich beschleunigt werden kann und gleichzeitig feinkristalline Strukturen erzeugt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Non-isothermal crystal nucleation of poly (L-lactic acid). Polymer 81, 151 (2015)
Androsch R, Iqbal NHM, Schick C
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.11.006) - Crystal nucleation of random L/D-lactide copolymers. Eur Polym J 75, 474 (2016)
Androsch R, Di Lorenzo ML, Schick C
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.01.020) - Interplay between the relaxation of the glass of random L/D-lactide copolymers and homogeneous crystal nucleation: Evidence for segregation of chain defects. J Phys Chem B 120, 4522 (2016)
Androsch R, Schick C
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b03022) - Enthalpy relaxation of the glass of poly (L-lactic acid) of different D- isomer content and its effect on mechanical properties. Polym Bull 74, 2565 (2017)
Iqbal HMN, Sungkapreecha C, Androsch R
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00289-016-1854-5) - Sensitivity of polymer crystallization to shear at low and high supercooling of the melt. Macromolecules 51, 2785–2795 (2018)
Rhoades AM, Gohn AM, Seo J, Androsch R, Colby RH
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b00195) - Critical specific work of flow for shear-induced formation of crystal nuclei in poly (L-lactic acid) (PLLA). Polym Cry 2, e10073 (2019)
Iqbal N, Jariyavidyanont K, Rhoades AM, Androsch R
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pcr2.10073) - Effect of molar mass on critical specific work of flow for shear-induced crystal nucleation in poly (L-lactic acid). Polymers 13, 1266 (2021)
Du M, Jariyavidyanont K, Kühnert I, Boldt R, Androsch R
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/polym13081266)
