Entwicklung eines neuartigen ternären Blends mit einer herausragenden Eigenschaftskombination
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Gemeinschaftsprojekts mit der Firma ALBIS Plastics GmbH erfolgte die Herstellung von ternären Blends aus dem Matrixwerkstoff PA6, einer Weichphase und einem Schichtsilikat. Um die Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften der ternären Blends zu verstehen, wurden in einem ersten Schritt die binären Blends aus PA6 und einem Schichtsilikat sowie die binären Blends aus PA6 und einer Weichphase untersucht. Auf Basis dieser Erkenntnisse erfolgte dann in einem zweiten Schritt die Charakterisierung der ternären Blends. Bei den mechanischen Untersuchungen der binären Blends, bestehend aus PA6 und Schichtsilikat, zeigte sich, dass die besten Ergebnisse mit einem hochviskosen PA6 und einem organisch modifizierten Schichtsilikat erlangt werden konnten. Wurden Parameter wie Schneckendrehzahl, Füllstoffgehalt und Dosierstelle des Schichtsilikats variiert, so wurde festgestellt, dass ein Schichtsilikatanteil kleiner bzw. gleich 8 M.-% gewählt werden sollte, um einen bestmöglichen Kompromiss aus Festigkeit und Zähigkeit zu bekommen. Ist der Schichtsilikatanteil zu gering, ist keine ausreihende Verstärkung gegeben und die Festigkeit steigt nur marginal gegenüber dem reinen PA 6. Wird er zu hoch gewählt, ist die Dispergierung der Schichtsilikatpartikel nur noch gering und die Dichte an Agglomeraten steigt an. Des Weiteren ist eine niedrigere Drehzahl bei allen untersuchten binären Blends bezüglich der mechanischen Eigenschaften von Vorteil, da höhere Drehzahlen zu einem Abbau der PA6-Matrix führen. Bei der Herstellung der binären Blends aus PA6 und einer Weichphase wurden als Weichphase der Kautschuk Ethylen-Propylen-Copolymer (EPM) sowie der Kautschuk Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) eingesetzt, die beide zur Erhöhung der Verträglichkeit mit der Matrix mit dem Haftvermittler Maleinsäureanhydrid (MA) gepfropft waren. Zusätzlich wurden die Weichphasen im Rahmen einer reaktiven Extrusion mit einem Peroxid teilvernetzt. Die Blends wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften analysiert und zur Betrachtung der Morphologie wurden Rasterkraftmikroskopieaufnahmen gemacht. Es konnte gezeigt werden, dass die Weichphasenart eine Auswirkung auf die Kerbschlagzähigkeit hat. Die Blends mit der Weichphase EPDM-g-MA weisen in allen Zusammensetzungen höhere Kerbschlagzähigkeitswerte auf als die Blends mit EPM-g-MA, da hier durch einen höheren MA-Anteil eine größere Haftung zur Polyamid-Matrix besteht. Durch die Teilvernetzung mit einem Peroxid konnte die Kerbschlagzähigkeit zusätzlich um ein Vielfaches erhöht werden. In Bezug auf das Stegbreitenmodell nach Wu ist dieses Ergebnis ein Widerspruch, da nach Wu die Kerbschlagzähigkeit unabhängig von der Art der Weichphase ist. Ebenso konnte im Projekt widerlegt werden, dass lediglich die Stegbreite ausreicht, um das Bruchverhalten eines schlagzähmodifizierten Kunststoffes zu prognostizieren. Auf Basis dieser Ergebnisse konnte im letzten Schritt ein ternärer Blend mit guten Steifigkeit- Zähigkeits-Eigenschaften generiert werden. So weist der Blend aus hochviskosem PA6, einer teilvernetzten EPDM-g-MAH-Weichphase und organisch modifiziertem Schichtsilikat eine Kerbschlagzähigkeit auf, die im Vergleich zum Ausgangsmaterial, um das Sechsfache erhöht und dessen Elastizitätsmodul um 25 % gesteigert werden konnte. In Bezug auf eine wirtschaftliche Produktion der ternären Blends ist ein Upscaling des Prozesses auf größere Aufbereitungsanlagen kritisch zu betrachten, da dies stets mit einer Änderung der Prozessparameter verbunden ist, was sich – wie im Projekt mehrmals gezeigt wurde – stark auf die Blendeigenschaften auswirkt. Ein Upscaling erfordert eine Anpassung des Prozesses an das gewünschte Eigenschaftsprofil der Blends, was nur mit einem zeitintensiven und kostspieligen Aufwand möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Combining High Stiffness and Impact Strength in Ternary Blends of Polyamide. In: Proceedings of the Industrial Nanocomposites Conference. 10.-11. Oktober 2017. Stuttgart, Deutschland, 2017
Benz, J., Bonten, C.
