Verbesserte Zähigkeit/Steifigkeits-Balance nanopartikelgefüllter Polyamid-Composite - simulationsgestützte Eigenschaften/Morphologie-Korrelation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gemeinschaftsprojekt des Institutes für Kunststofftechnik (IKT) und des Institutes für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart hatte zum Ziel, Polyamide mit hoher Steifigkeit und zugleich hoher Zähigkeit mit Hilfe von Nanopartikeln zu schaffen. Dafür wurden Simulationsmodelle für einen dynamischen Belastungsfall entwickelt, die die Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und mechanischer Eigenschaften für ein ternäres Materialsystem vorhersagen können. Zuerst wurde ein binäres System bezüglich der zähigkeitssteigernden Wirkung einer Weichphase untersucht. Zur Herstellung der Weichphase wurde ein am IKT entwickeltes Verfahren der reaktiven Extrusion eingesetzt. Dadurch war es möglich, die Weichphasenstruktur gezielt zu modifizieren und damit deren Deformationsverhalten zu verändern. Untersuchungen der Morphologie der Blockcopolymere und der späteren Polymerblends dienten als Basis für die Erstellung eines 3D-RVE-Modells am IMWF. Mithilfe dessen konnte das Bruchverhalten sowie die auftretenden Spannungen im Kerbschlagbiegeversuch sehr gut simuliert werden. Diese zeigen große Übereinstimmung mit den real gemessenen Kerbschlagzähigkeiten. Im nächsten Schritt wurde ein zweites, binäres Polymerblend mit Schichtsilikat hinsichtlich dessen Steifigkeitserhöhung betrachtet. Hierzu wurde eine Molekulardynamiksimulation entwickelt, die die Wechselwirkung zwischen PA6 und Schichtsilikat beschreibt, da die auftretenden Schädigungsmechanismen experimentell nur schwer zugänglich sind. Durch diese Simulation können die maximalen Spannungen vorhergesagt werden, die zu einer Ablösung von PA6 und Schichtsilikat voneinander und damit zu einer Schädigung führen. Die Erkenntnisse aus beiden binären Polymerblends wurden im Anschluss für die Vorhersage des ternären Materialsystems aus PA6, Weichphase und Schichtsilikat angewendet. Hierfür wurde ebenfalls anhand Untersuchungen der Morphologie ein 3D-RVE-Modell erzeugt, das im Zugversuch sehr gute Übereinstimmungen erzielt hat. Eine Rückkopplung von realen Messungen der Kerbschlagzähigkeit auf das Simulationsmodell war nicht möglich. Entgegen der Annahmen und der Theorie zeigten die Prüfkörper erhöhte Steifigkeiten bei verringerter Prüfgeschwindigkeit in instrumentierten 3-Punkt-Biegeversuchen. Es wird davon ausgegangen, dass eine lokale Erwärmung der Prüfkörper durch die dynamische Belastung zu dieser Materialantwort geführt hat. Jedoch konnten anhand von Untersuchungen der Morphologie nahe der Bruchkante in den dynamisch geprüften Materialsystemen dieselben Schädigungsmechanismen wie in den binären Blends aufgezeigt und nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Micromechanical modeling of the elastoplastic behavior of nanodispersed elastomer particle-modified PA 6. In: Computational Material Science 52 (2012), S. 107-111
Huang, J.; Schmauder, S.; Weber, U.; Geier, S.
- Simulation of the mechanical behavior of nanodispersed elastomer particle-modified Polyamide 6, APCCMME 2013, In: Advanced Materials Research (2013), Vol. 746, S. 250-255
J. Huang, U. Weber, S. Schmauder
- Mechanical and Morphological Properties of a Ternary Polyamide 6 Nanocomposite With Optimized Stiffness/Toughness Performance. In: Polymer Engineering Science (2014), Nr. 54, S. 247
Geier, S.; Bonten, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pen.23558) - Morphological studies on block copolymer modified PA 6 blends. In: AIP Conference Proceedings (2014), Nr. 1593, S. 654-657
Poindl, M.; Bonten, C.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1063/1.4873864) - Reactive Extrusion of Cross Linked Block Copolymers - Structure and Potential as Impact Modifier for PA 6 In: 72th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers 2014 - ISBN 978-0-9850112-4-6
Poindl, M.; Bonten, C.
- Modeling and simulation of mechanical properties of nano particle modified polyamide 6. In: Journal of Materials Science and Chemical Engineering (2015), Nr. 3, 80-87
Yi, J. Wiedmaier, U. Weber, S. Schmauder
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4236/msce.2015.31012)
