Mikromechanische Wirkungsweise von Schichtsilikaten der zweiten Generation : ein neuartiger Nanofüllstoff zur Steigerung der Steifigkeit und Zähigkeit von PMMA

Titelangaben

Fischer, Bianca:
Mikromechanische Wirkungsweise von Schichtsilikaten der zweiten Generation : ein neuartiger Nanofüllstoff zur Steigerung der Steifigkeit und Zähigkeit von PMMA.
Bayreuth , 2018 . - VI, 144 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

In dieser Arbeit wurde eine neue Generation an Schichtsilikaten zur Modifizierung von PMMA eingesetzt mit dem Ziel, eine maximal mögliche Steifigkeits-Zähigkeits-Balance zu erreichen, ohne die Zugfestigkeit und die Verarbeitbarkeit zu verschlechtern. Zudem wurde die mikromechanische Wirkungsweise dieser neuartigen Nanofüllstoffe durch Analyse von Bruchflächen detailliert aufgeklärt und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgestellt. Um die bessere Performance gegenüber konventionellen Schichtsilikaten hervorzuheben, wurde ein kommerziell erhältliches System aus oberflächenmodifiziertem Bentonit als Benchmark herangezogen und die Nanokomposit-Eigenschaften ebenfalls im Detail analysiert. Am Ende ergab sich ein tiefes Verständnis darüber, in welchem Ausmaß diverse Füllstoffeigenschaften die Nanokomposit-Eigenschaften beeinflussen.
Die innerhalb dieser Studie entwickelten neuartigen PMMA-Nanokomposite zeigten eine einzigartige Steifigkeits-Zähigkeits-Balance. Die große laterale Ausdehnung und die sich daraus ergebende niedrige Partikeldichte in Kombination mit dem großen Aspektverhältnis und der hohen intrinsischen Steifigkeit machen die maßgeschneiderten Schichtsilikate zu einem High Performance Nanofüllstoff.
Die konventionellen Schichtsilikate führten als Quasi-Nanofüllstoff hingegen lediglich zu einer Steigerung der Steifigkeit mit signifikanten Einbußen in Festigkeit und Bruchzähigkeit. Hinsichtlich einer Verbesserung der Bruchzähigkeit sind die konventionellen Nanofüllstoffe nicht geeignet, da sie aufgrund der geringen lateralen Ausdehnung keine zähigkeitssteigernden Mechanismen provozieren. Die Schichtsilikate der zweiten Generation führen hingegen aufgrund ihrer riesigen lateralen Ausdehnungen zum Auftreten von zusätzlichen zähigkeitssteigernden Mechanismen wie Rissumlenkung und Rissanhaftung und dadurch zu einer signifikanten Steigerung der Bruchzähigkeit.

Abstract in weiterer Sprache

In this thesis a new generation of layered silicates was used for modification of PMMA with the goal to reach a maximum in stiffness-toughness-balance without sacrificing tensile strength and processability. Additionally, the micromechanical effect of these novel nanofillers has been evaluated using fracture surface analysis and structure-property-relationships have been established. To highlight the better performance of the novel nanofiller compared to conventionally used layered silicates, a commercially available system based on surface-modified Bentone has been used as benchmark material and the properties of its nanocomposites have also been analyzed in detail. Finally, a deep understanding about the extent of influence of various filler properties on nanocomposite properties was generated.
The newly developed PMMA nanocomposites based on layered silicates of the second generation show a unique stiffness-toughness balance. The huge lateral extension and the resulting low particle densities in combination with high aspect ratio and high intrinsic stiffness make the layered silicates a high performance nanofiller.
The conventionally used layered silicates lead only to an increase of stiffness at the cost of strength and fracture toughness reflecting the results from literature. In terms of fracture toughness, the conventionally nanofillers are not effective as their lateral extension is too small to promote any additional toughening mechanism. On the contrary, the layered silicates of the second generation lead to the occurrence of additional energy dissipating mechanisms like crack pinning or crack deflection and this to a significant increase of fracture toughness.