Neue Konzepte zur Herstellung von Polymernanokompositen

Titelangaben

Hausner, Josef:
Neue Konzepte zur Herstellung von Polymernanokompositen.
Bayreuth , 2016 . - VIII, 111 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation ist es gelungen, eine neue Compoundierungsmethode zu entwickeln, die es ermöglicht Schichtsilicate mit hohen Aspektverhältnissen unter Erhalt der Grenzflächen in Hochtemperaturpolymere zu transferieren. Überdies konnte durch eine gezielte Organophilierung ein Nanofüllstoff synthetisiert werden, der deutlich verbesserte Flammschutzeigenschaften im Nanokomposit aufwies. Mechanische Charakterisierungen der Nanokomposite wurden in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth im Rahmen des SFB 840 (B3) durchgeführt.
Die Herstellung leistungsfähiger Polymer-Schichtsilicat-Nanokomposite stellt dabei hohe Ansprüche sowohl an die Methode als auch an die Füllstoffe selbst. Neben einem optimierten Grenzflächenmanagement (Funktionalität und Kompatibilität) stellen der Erhalt des Aspektverhältnisses und die homogene Dispergierung des Nanofüllstoffs in der Matrix Kernpunkte dar.
Zur Herstellung der Nanokomposite wurden zwei verschiedene Schichtsilicattypen verwendet (natürlicher MMT und synthetische Hectorite), die sich in ihren Eigenschaften signifikant unterscheiden. Als Zielmatrix diente Polystyrol.
Zunächst stand die Synthese eines hochtemperaturstabilen Modifikators im Vordergrund, der sowohl den Ansprüchen für die Einarbeitung in HT-Polymere als auch als Flammschutzmodifikator genüge leisten sollte. Dazu wurde Melaminorthophosphat, das als Flammschutzmittel an sich eingesetzt wird und eine hohe Temperaturstabilität besitzt, nach der Vorschrift von de Ridder synthetisiert. Bei einer Rekristallisation des Phosphats wurde eine neue Hydratform erhalten, deren Struktur mittels Einkristallstrukturanalyse geklärt werden konnte. Dabei wurde eine Abhängigkeit vom pH-Wert und der Stöchiometrie festgestellt.
Ein weiterer zentraler Punkt war die Entwicklung einer Methode zur Herstellung von Schichtsilicatnanokompositen, welche zum einen eine hohe Dispersionsqualität des Füllstoffs garantiert und gleichzeitig technisch leicht anwendbar ist. Einen der Kernpunkte bildet hierbei der Erhalt der spezifischen Grenzfläche zwischen Füllstoff und Matrix während der Nanokompositherstellung. Durch das innovative Konzept einer Transfermatrix wurde eine Methode entwickelt, die es erlaubt diese Grenzflächen selbst in Schmelzextrusionsprozessen zu bewahren Dabei lieferte das Transfer Batch Blending vergleichbare Ergebnisse zum Solution Blending, das als ein optimiertes Dispergierverfahren für Polymernanokomposite gilt. Zur Evaluierung wurden neben TEM-Aufnahmen auch Gaspermeationsmessungen durchgeführt, wobei Solution und Transfer Batch Blending vergleichbare und im Vergleich zur Schmelzextrusion eine erhöhte Reduktion der Gaspermeabilität zeigten.
Außerdem wurde ein Polystyrolschichtsilicatnanokomposit hinsichtlich seiner Flammschutzeigenschaften und hier im speziellen auf die Beeinflussung der time of ignition untersucht. Zur Funktionalisierung und Organophilierung des synthetischen Hectorits kamen hier ein eisenhaltiger Modifikator und ein Alkylamin zum Einsatz. Neben einer guten Dispersionsqualität beider Nanofüllstoffe zeigte sich bei Cone-Kalorimetertests bei dem eisenhaltigen Nanofüllstoff auch eine Verschiebung der time of ignition zu höheren Werten, welches zum einen auf die höhere Temperaturstabilität des Modifikators und zum anderen auf die katalytische Wirkung des enthaltenen Eisens zurückzuführen ist.
Diese Arbeit ist eine kumulative Dissertation. Die detailierten Ergebnisse werden im Ergebnisteil beschrieben.

Abstract in weiterer Sprache

A new compounding method was developed within this thesis allowing the transfer of high aspect ratio layered silicates into high temperature polymers under preservation of the specific interface. Moreover a nanofiller was synthesized through specific organophilization showing distinctly improved flammability properties of the nanocomposite. Mechanical characterizations of the nanocomposites were done in cooperation with the department of polymer engineering of the University of Bayreuth in the context of the SFB 840 (B3).
Synthesis of efficient polymer layered silicate nanocomposites provide grand requirements to the blending method as well as to the filler itself. Next to an optimized interlayer management (functionality and compatibility) the conservation of aspect ratio and the homogeneous dispersion of the nanofiller in the matrix are essential.
For nanocomposite preparation two types of layered silicates were used (naturally MMT and synthetic hectorites), showing significant differences in their properties. The matrix used in the experiments was polystyrene.
Initially the focus was set on the synthesis of a high temperature stable modificator, which satisfies the requirements for both the compounding in HT-polymers and as a modificator for flame retardancy. Therefore melaminium orthophosphate, a flame retardant itself with a high temperature stability, was synthesized according to de Ridder. Recrystallization of the phosphate delivered a new hydrate form, whose crystal structure could be solved via single crystal x-ray diffraction analysis. Thereby a dependency of the ph value and the stoichiometry was found.
Further central aspect was the development of a compounding method for layered silicate nanocomposites, delivering a high dispersion quality of the filler and at the same time being technically benign. Thereby a crucial point is the prevention of the specific interface between filler an matrix during nanocomposite compounding. Through the innovative concept of the transfer batch a method was developed, which allows the preservation of the specific interface even when using melt compounding. Thereby the transfer batch blending method provides comparable results to solution blending, an optimized method for good dispersion quality in polymer nanocomposites. Evaluation of the method was done by TEM micrographs and gas permeability measurements. Solution blending and transfer batch blending show comparable results and compared to melt compounding an increased reduction of the gas permeability.
Moreover a polystyrene layered silicate nanocomposite was investigated for its flammability properties and in special the influence on time of ignition. The synthetic hectorite was funtionalized and organophilized by a ferrous modificator and an alkylamine. Next to the good dispersion quality of both nanofillers the cone-calorimeter tests show an improved time of ignition for the ferrous nanofiller for the first time. This was attributed to the higher thermal stability of the modificator and the catalytic activity of included iron.
This is a cumulative thesis. The detailed description of the results can be found in the results section.