Fracture Mechanics of Nanostructured Polymer Blends with Janus Particles

Titelangaben

Bahrami, Ronak:
Fracture Mechanics of Nanostructured Polymer Blends with Janus Particles.
Bayreuth, Germany , 2018 . - 160 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

For the first time, novel Janus nanoparticles (JPs) were used in sufficiently large quantities for
industrial scale blend compatibilization experiments. Several 100 g batches of JPs were
prepared and successfully employed as compatibilizers in technologically relevant poly(2,6-
dimethyl-1,4-phenylene ether)/poly(styrene-co-acrylonitrile) (PPE/SAN) blends. The obtained
small PPE droplet sizes of less than 300 nm (at 10 wt.% JPs in the blend) greatly outperformed
the co-continuous neat blend but also the blend compatibilized with a linear SBM (polystyreneblock-
polybutadiene-block-poly(methyl methacrylate)) triblock terpolymer as benchmark
material. This clearly shows the outstanding performance of JPs as compatibilizers in polymer
blends. Additionally, huge discrepancies in the blend morphology depending on the blending
equipment was found (mini-compounder (g scale) vs. extruder (kg scale)). This demonstrates
the importance of large-scale experiments before considering possible applications. The
optimum JP content, necessary to achieve a homogenous morphology after compatibilization,
was found to be between 2-5 wt.%, which is significantly lower than the amount needed for SBM
triblock terpolymers (10 wt.%).
Fracture mechanics analysis of JP compatibilized blends revealed significantly stronger interface
bonding compared to the neat and SBM compatibilized blends. The JP compatibilized blends
show higher strength and stiffness at the interface compared to the SBM compatibilized blends,
which results in lower toughness of the material when used solely in the blend as
compatibilizers. However, it is possible to tailor the nano/micro structure via a combination of
JPs and SBM triblock terpolymers to tune the macro properties such as toughness. Combination
of JPs with a SBM triblock terpolymer as compatibilizer in the blend resulted in a fine
morphology with small PPE droplets with radius of 100 nm, which homogenized the
deformation in the blend. The toughness as well as resistant against crack growth of the blend
was significantly improved over a wide range of crack propagation rates, revealing the
synergistic effect of a reduced PPE domain size (mediated by JPs) and an elastic interface
(mediated by the SBM triblock terpolymer). Furthermore, understanding the deformation
micromechanisms of each compatibilizer is the key point to design blend morphologies with
tailored mechanical properties.
As an outlook, JPs were also employed in foaming PPE/SAN blends to observe their potential as
highly active foam nucleating agents. The JPs increase the melt strength of the blend and
stabilize the cellular structure with smaller cell sizes. The strong JP mediated linkage at the
interface could also produce homogenous foams with a partially open cellular structure. The
average foam cell size was decreased over 50 % to 900 nm compared to the neat blend and the
minimum foam density reached was 550 kg/m3 (compared to the neat blend with densities of
around 900 kg/m3).

Abstract in weiterer Sprache

Neuartige Janus-Partikel (JP) wurden zum ersten Mal in technologisch relevanten Mengen
(mehrere 100 g) synthetisiert und für die Herstellung von Polymerblends im industriellen
Maßstab eingesetzt. Die JP wurden als Phasenvermittler in unverträglichen Poly(2,6-dimethyl-
1,4-phenylenether)/Poly(styrol-co-acrylnitril) (PPE/SAN) Polymerblends im industrierelevanten
Maßstab durch Extrusion verarbeitet. Im Vergleich zum reinen co-kontinuierlichen
PPE/SAN-Blend und dem mit SBM Triblockterpolymer (10 Gew-%) kompatibilisierten Blend,
konnte mit JP eine wesentlich kleinere PPE-Tröpfchengröße (unter 300 nm bei 10 Gew-% JP)
und eine homogenere Verteilung der PPE Tröpfchen in der SAN-Matrix erreicht werden. Dies
manifestiert die ausgezeichnete Einsatzbarkeit von JP als Verträglichkeitsvermittler in
Polymerblends. Es muss hierbei allerdings berücksichtigt werden, dass die Blendmorphologie
sehr stark von der Art der Verarbeitung und den verwendeten Geräten (Mini-Compounder (g-
Maßstab) gegenüber Extruder (kg-Maßstab)) abhängt. Dies zeigt, dass Extrusionen im
industrierelevanten Maßstab unabdinglich sind um mögliche Anwendungsfelder zu erschließen.
Bruchmechanische Untersuchungen haben gezeigt, dass die mit JP kompatibilisierten Blends
eine viel stärkere Grenzflächenanbindung besitzen als das reine oder mit SBM
Triblockterpolymer kompatibilisierte Blendsystem. Dies führt zu einer höheren Festigkeit und
Steifigkeit der Phasengrenzfläche in den JP basierenden Blends, die allerdings mit einer im
Vergleich zum SBM kompatibilisierten Blend wesentlich niedrigeren Zähigkeit einhergeht. Um
Synergien in den mechanischen Eigenschaften zu erreichen, kann die Mikro-/Nanostruktur der
Blends aber durch eine Mischung aus JP und SBM Triblockterpolymer maßgeschneidert und so
die Zähigkeit wesentlich verbessert werden. Diese Kombination aus JP und SBM
Triblockterpolymer als Phasenvermittler resultiert in einer pseudo co-kontinuierlichen
Morphologie und sowohl die Verkleinerung der PPE-Tröpfchengröße (durch JP) als auch die
elastischere Grenzfläche (durch SBM) des PPE/SAN-Blends führt insgesamt zu einer erheblich
verbesserten Beständigkeit gegen Ermüdungsrissausbreitung. Für die Entwicklung von
Polymerblends mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften ist es daher essentiell, die
wirksamen Deformationsmechanismen für jeden einzelnen Phasenvermittler zu kennen um die
Morphologie der Blend-Systeme exakt an die Anforderungen anpassen zu können.
JP können zudem als hocheffiziente Nukleierungsmittel in PPE/SAN-Schäumen verwendet
werden, was das große Potential von JP in technologisch relevanten Anwendungen
unterstreicht. Die JP erhöhen die Schmelzefestigkeit während der Verarbeitung, wodurch
Zellstrukturen mit kleineren Schaumzellen effizient stabilisiert werden können. Die durch JP
vermittelte starke Anbindung zwischen den PPE und SAN Phasen führt zudem zu sehr
homogenen Schäumen mit einer partiell offenen Zellstruktur. Im Vergleich zum reinen PPE/SAN
Schaum konnte die Zellgröße im JP kompatibilisierten Schaum um 50 % auf 900 nm reduziert
werden und die Zelldichte nahm insgesamt um etwa 40 % von 900 kg/m3 auf 550 kg/m3 ab.