Modifizierung einer Polypropylen-Matrix durch den Einsatz von Mikrohohlglaskugeln

Titelangaben

Schwinger, Laura:
Modifizierung einer Polypropylen-Matrix durch den Einsatz von Mikrohohlglaskugeln.
Bayreuth , 2021 . - 177 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005687

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Abstract

Kunststoffe sind aus unserem heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer im Vergleich zu Metallen und Keramiken deutlich geringeren Dichte, werden sie in vielen Bereichen, wie Verpackungsindustrie, Medizin oder im Automobilbereich eingesetzt. Auch im Bauwesen finden Kunststoffe immer mehr Einsatzmöglichkeiten. So werden bereits Dämmplatten aus expandiertem Polystyrol hergestellt. Diese werden für eine bessere Stabilität mit einem zusätzlichen Befestigungsdübel aus Polypropylen an der Hauswand befestigt. Dadurch, dass jedoch zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet werden, kommt es auf Grund unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten zu Wärmebrücken, die sich optisch anhand von Schimmel- und Algenbildung an der Hauswand zeigen. Motivation dieser Arbeit war es die Wärmeleitfähigkeiten der beiden Materialien durch den Einsatz eines Füllstoffes anzupassen, jedoch die mechanische Festigkeit des Dübels nicht negativ zu beeinflussen.
Auf der Suche nach einem passenden Füllstoff zur Dichtereduzierung, kristallisierten sich Mikrohohlglaskugeln (MHGK) als geeigneten Kandidaten heraus. MHGK, als anorganischer Füllstoff, weisen als einziger Füllstoff eine geringere Dichte als Polypropylen auf. Zudem besitzen sie ebenfalls eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante. Durch den Einsatz von 50 Vol.-% MHGK (33 Gew.-%) konnte so eine Reduzierung der Dichte um 24 %, der Wärmeleitfähigkeit um 20 % und der Dielektrizitätskonstante um 17 % erreicht werden.
Der Nachteil an dem Einsatz von MHGK als Füllstoff war jedoch, dass sie als sphärischer Füllstoff die mechanischen Eigenschaften der Matrix herabsetzen. Der Zielansatz war deshalb, durch eine angepasste Funktionalisierung beider Komponenten eine stabile chemische Bindung zwischen Füllstoff und Matrix zu erhalten, um so den mechanischen Verlusten entgegenzuwirken. Es sollten dabei MHGK-Gehalte bis zu 50 Vol.-% realisiert werden.
Durch eine Kombination aus dem Einsatz eines Haftvermittlers, Maleinsäureanhydrid-gepfropftes-Polypropylen (PP-g-MAH), und der Silanisierung der MHGK mit einem Amino-Silan (AMEO), konnte zwischen beiden Komponenten, je nach Verhältnis der funktionellen Gruppen, stabile Amid- und Imid-Bindungen erzeugt werden. Diese Anbindung gewährleistete das Erreichen der mechanischen Kennwerte Zug- und Biegefestigkeit von ungefülltem PP sowie eine Verbesserung der Kriechfestigkeit. Im Vergleich zur unmodifizierten Matrix konnten zudem auch die Kerbschlagzähigkeit verbessert werden.

Abstract in weiterer Sprache

Plastics have become an indispensable part of our everyday life today. Due to their much lower density compared to metals and ceramics, they are used in many areas, such as the packaging industry, medicine or the automotive industry. Plastics are also finding more and more applications in the construction industry. For example, insulating boards made of expanded polystyrene are already being produced. These are attached to the house wall with an additional fixing plug made of polypropylene for better stability. However, because two different materials with different properties are used, thermal bridges occur due to different thermal conductivities, which can be seen visually in the formation of mildew and algae on the house wall. The motivation of this work was to adjust the thermal conductivity of the two materials by using a filler, but not to influence the mechanical strength of the plug.
In the search for a suitable filler for density reduction, micro hollow glass spheres (MHGK) emerged as suitable candidates. MHGK, as an inorganic filler, is the only filler with a lower density than polypropylene. They also have low thermal conductivity and dielectric constant. By using 50 vol.% MHGK (33 wt.%), a reduction in density by 24 %, thermal conductivity by 20 % and dielectric constant by 17 % could be achieved.
The disadvantage of using MHGK as a filler, however, was that as a spherical filler it reduced the mechanical properties of the matrix. The objective was therefore to achieve a stable chemical bond between filler and matrix through an adapted functionalization of both components in order to counteract the mechanical losses. MHGK contents of up to 50 % by volume were to be realized.
By a combination of the use of an adhesion promoter, maleic anhydride-grafted polypropylene (PP-g-MAH), and the silanization of the MHGK with an amino-silane (AMEO), stable amide and imide bonds could be created between the two components, depending on the ratio of the functional groups. This bond ensured that the mechanical properties tensile and flexural strength were maintained and creep resistance improved. Compared to the unmodified matrix, notched impact strength was also improved.