Zur verbesserten Beschreibung des Dehnverhaltens bei der Verarbeitung von hochgefüllten Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435000494

Die Einstellung maßgeschneiderter Eigenschaften von Kunststoffprodukten erfolgt in den letzten Jahrzehnten immer weniger durch Synthese neuer, sondern durch gezielte Modifizierung bestehender Polymere. Ziel der Modifizierung ist in der Regel die Änderung der physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen. So werden mit Verstärkungsstoffen deren mechanische Eigenschaften (bspw. Festigkeit und Steifigkeit) und mit dehnfähigen Partikeln bspw. deren Nachgiebigkeit und Dehnfähigkeit erhöht. Bei allen Modifizierungen ist die Homogenität der ausgetragenen Kunststoffschmelze sehr wichtig für die gewünschten reproduzierbaren Endeigenschaften. Interessanterweise zeigt sich bei Zusatzstoffen verschiedenster Geometrie, Zusatzmenge und Art immer wieder das gleiche Phänomen der Fließhemmung bei kleinen Schergeschwindigkeiten. Es scheint sich ab einem Schwellenwert einer bestimmten Konzentration im langsamen Fließzustand eine Struktur der Zusatzstoffpartikel, ein sogenanntes Partikelnetzwerk, einzustellen, welches sich gegen das Fließen stemmt und den Druckbedarf einer Maschine stark erhöht. Es ist zu erwarten, dass sich diese Fließhemmung auch unter Dehnbelastungen einstellt. Jedoch wird sich diese vermutlich bei einer anderen Konzentration einstellen als unter einer reinen Scherbelastung. Zudem ist auch eine Zerstörung des Netzwerks unter Dehnung bei höheren Deformationsgeschwindigkeiten zu erwarten. Ziel dieses Antrags ist es die oben beschriebenen Vermutungen experimentell zu untersuchen und die Unterschiede in Scherung und Dehnung in einer allgemeingültigen Betrachtung zusammenzufassen. Ebenso soll der Einfluss der Zusatzstoffe auf die Dehnverfestigung untersucht werden. Zum einen kann dies mit Hilfe des Trouton-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration, -form und der Deformationsgeschwindigkeit erfolgen. Zum anderen können die Unterschiede in Scherung als auch in Dehnung in Abhängigkeit von der Zeit sowie von der Dehngeschwindigkeit durch eine geeignete Modellierung der Viskositätsfunktion beschrieben werden. Das ausgewählte Modell muss entsprechend um den Einfluss der Zusatzstoffe erweitert werden, damit die sich einstellende Fließhemmung und Viskositätsänderungen aufgrund der Zusatzstoffe abgebildet werden können. Neben dieser Modellierung wird eine analytische Methode (bspw. wie bei Cogswell) erarbeitet, mit welcher die Dehnviskosität direkt aus den Einlaufdruckverlustmessungen am Kapillarrheometer bestimmt werden kann. Dadurch kann ein einfacher Zugang zu dehnrheologischen Daten sowohl für ungefüllte als auch für gefüllte Kunststoffe aus Messungen am Kapillarrheometer geschaffen werden. Nach erfolgreichem Projekt soll das aufgestellte Modell dazu dienen, allgemeingültig das Verhalten hochgefüllter Kunststoffe in Dehnströmung vorherzusagen. Damit können schließlich Werkzeuge besser ausgelegt, der Druckbedarf einer Maschine besser abgeschätzt sowie das Verarbeitungsverhalten besser vorhergesagt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen