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)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007751

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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.