Microcellular low-density nanocomposite foams nucleated by carbon-based nanofillers : processing, properties and foaming behaviour

Titelangaben

Okolieocha, Chimezie:
Microcellular low-density nanocomposite foams nucleated by carbon-based nanofillers : processing, properties and foaming behaviour.
Bayreuth , 2019 . - XIV, 131 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004228

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Abstract

The demand for energy-efficient houses has led to greater demand by the building and construction industry for polymeric foam materials with superior thermal insulation properties. The prerequisite for this is the preparation of microcellular or, better still, nanocellular low-density foams. Attaining the aforesaid goal comes of course with several challenges concerning the selection of the right foam base material, nucleating agents, processing conditions and processing techniques.
This work outlines a systematic approach to realize low-density foams based on polystyrene (PS), poly(methyl methacrylate) (PMMA) and blends of polystyrene/poly(methyl methacrylate) (PS/PMMA) by incorporating carbon-based fillers such as carbon black, thermally-reduced graphite oxide and talc (inorganic filler) as cell-nucleating agents. The foaming experiments were performed via batch-process and foam extrusion methods.
Low-density foams with high volume expansion ratios were realized, especially via blending of PS with PMMA. The CO2-philic (the high affinity of PMMA to carbon dioxide due to the presence of carbonyl oxygen) property of PMMA was exploited to realize the cell densities and nucleation densities of 1010 cells/cm3. Microcellular-extruded PMMA foams that have mean cell sizes of approximately 7 µm at a target density of 190 kg/m3 were achieved with TRGO filler. Also, the extruded low-density foams realized respectively with PS and PMMA revealed homogeneous cell microstructures and the cell size distributions followed a Gaussian distribution. The thermal conductivity value of extruded PS/TRGO nanocomposite foams were found to be superior to neat polystyrene foams (reference material) and Styrodur® C (a commercially-available extruded polystyrene foam from BASF) by 8 % and 3 %, respectively.

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Die Nachfrage an energieeffizienten Häusern führt zu einer erhöhten Nachfrage der Bau- und Konstruktionsindustrie an polymeren Schaumstoffen mit hervorragenden Wärmedämm-eigenschaften. Voraussetzung hierfür ist die Herstellung von mikrozellulären oder, im besten Fall, nanozellulären Schäumen mit niedriger Dichte. Das Erreichen des oben genannten Ziels bringt natürlich einige Herausforderungen mit sich, wie die richtige Auswahl des Schaumbasismaterials, der Nukleierungsmittel, der Verarbeitungsbedingungen sowie der Verarbeitungstechniken.
Diese Arbeit skizziert einen systematischen Ansatz zur Realisierung von Schäumen mit niedriger Dichte auf Basis von Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) und einem Blend beider Materialien durch Zugabe von kohlenstoffbasierten Füllstoffen wie Ruß (CB), thermisch-reduzierten Graphitoxid (TRGO) und Talk (anorganischer Füllstoff) als Zell-Nukleierungsmittel. Die Schäumexperimente wurden im Batch-Schäumprozess und im Schaumextrusionsverfahren durchgeführt.
Darüber hinaus wurden Schäume niedriger Dichte mit hohen Volumenexpansionsverhältnisssen realisiert, insbesondere durch das Blenden von PS mit PMMA. Die CO2-phile Eigenschaft (die hohe Affinität von PMMA zu Kohlenstoffdioxid aufgrund des Carbonyl-Sauerstoffs) von PMMA wurde ausgenutzt, um Zell- und Nukleierungsdichten von 1010 Zellen/cm3 zu realisieren. Mikrozellular-extrudierte PMMA-Schäume mit mittleren Zellgrößen von ca. 7 µm bei einer Dichte von 190 kg/m3 konnten mit TRGO erzielt werden. Außerdem wiesen die extrudierten Schaumstoffe mit geringer Dichte, die mit PS sowie PMMA realisiert wurden, homogene Zellmikrostrukturen auf und die Zellgrößenverteilungen folgten einer Gauß-Verteilung. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit von extrudierten PS/TRGO Nanokompositschäumen war gegenüber des reinen Polystyrolschaumstoffs (Referenzmaterial) und Styrodur® C (ein im Handel erhältlicher extrudierter Polystyrolschaumstoff von der BASF) um 8 % bzw. 3 % überlegen.