Polybutylenterephthalat-Partikelschäume mit erhöhter thermischer Beständigkeit [:] – Einfluss eines epoxidbasierten Kettenverlängerers auf Verarbeitung und Eigenschaften

Titelangaben

Standau, Tobias:
Polybutylenterephthalat-Partikelschäume mit erhöhter thermischer Beständigkeit [:] – Einfluss eines epoxidbasierten Kettenverlängerers auf Verarbeitung und Eigenschaften.
Bayreuth , 2023 . - 152 S.
( Dissertation, 2023, Universität Bayreuth)

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Abstract

Seit 70 Jahren gibt es Partikelschäume. Aber erst in den letzten beiden Dekaden richtete sich der Fokus auf andere Polymere, und weniger auf die lang etablierten Vertreter Polystyrol (PS) oder Polypropylen (PP). Ein Trend dabei ist es, Partikelschäume mit erhöhter thermischer Beständigkeit zu entwickeln. Der naheliegende Ansatz, technische Thermoplaste zu verwenden, ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Dazu zählen (i) die niedrige Schmelzefestigkeit der meisten infrage kommenden Polymere und (ii) die zu erwartenden abweichenden Bedingungen für die Konsolidierung der Schaumperlen zum Formteil (insbesondere werden hier aufgrund der höheren Glasübergangs- und Schmelztemperaturen höhere Dampfdrücke > 5 bar für die Interdiffusion nötig).
In der wissenschaftlichen und Patentliteratur sind bereits einige wenige Arbeiten zu Partikelschäumen auf Basis von technischen Thermoplasten veröffentlicht. Die vorliegende Arbeit schließt an die Studien von Köppl et al. an, in denen bereits die erfolgreiche Herstellung der Perlen aus Polybutylenterephthalat (PBT) gezeigt werden konnte, jedoch nicht deren Konsolidierung und folglich auch nicht die Beschreibung der (thermo-) mechanischen Eigenschaften der Formteile. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Partikelschäume auf Basis von PBT. Zu deren Herstellung wird eine Strategie verfolgt, die zu niedrigeren Dichten (mindestens < 230 kg/m3) führt. Wesentlicher Bestandteil ist zudem die Realisierung einer Konsolidierung der einzelnen Perlen zum Formteil. Damit geht die vorliegende Arbeit deutlich über den gegenwärtigen Stand der Technik hinaus. Ein wesentlicher Teilaspekt dabei ist die chemische Modifikation von PBT und die Beschreibung der damit verbundenen Auswirkungen auf Prozessverhalten und Materialeigenschaften. Infolge der Zugabe eines multifunktionellen Epoxid-basierten oligomeren Kettenverlängerers (Joncryl® ADR 4468 der BASF SE) kommt es im Schmelzezustand zu Aufbau- (aber auch Abbau-) Vorgängen, wobei ein Optimum der Konzentration hinsichtlich der Expansion und der Formteileigenschaften erfolgreich im Bereich von 1 Gew. % Kettenverlängerer identifiziert werden konnte. Insbesondere das rheologische Verhalten wird maßgeblich durch die Erhöhung der Molekularmasse und das Einbringen von Verzweigungen geändert. Dies hat Auswirkungen auf die erreichbare Dichte und Zellmorphologie beim Schäumen. Aber auch Prozessparameter, wie Extruderdurchsatz und Wassertemperatur bei der Unterwassergranulierung haben einen großen Einfluss.
Erstmals gelang es, Schaumperlen aus PBT mittels Heißdampf zu Formteilen mit hoher Güte zu konsolidieren. Es konnten Formteildichten von minimal ca. 160 kg/m3 erreicht werden. Die bei der Konsolidierung ablaufenden Mechanismen der Interdiffusion scheinen von den bekannten (vgl. EPS und EPP) abzuweichen. Auffallend ist auch, dass überhaupt nur mit der chemischen Modifikation ein hinreichend breites Verarbeitungsfenster gefunden werden konnte. Entsprechende Hypothesen zum Konsolidierverhalten wurden aufgestellt. Mit verschiedenen (thermo-) mechanischen Charakterisierungsmethoden konnte ein deutlich höherer Widerstand gegen Druckverformung, insbesondere bei hohen Temperaturen (150 °C und höher) als für eine Referenz aus EPP aufgezeigt werden. Das Potenzial der E-PBT Formteile konnte anhand von Prinzipversuchen demonstriert werden. Wobei unter Druck- und Temperatureinwirkung Sandwichstrukturen mit duromeren bzw. thermoplastischen Deck-schichten verpresst wurden.

Abstract in weiterer Sprache

Bead foams have been around for 70 years. But only in the last two decades the focus has shifted to polymers other than the long-established representatives polystyrene (PS) or polypropylene (PP). One trend is the development of bead foams with increased heat resistance. The obvious approach of using engineering polymers presents a number of challenges. These include (i) the low melt strength of most of the polymers under consideration and (ii) the expected different conditions for consolidation of the foamed beads into the molded part (in particular, due to the higher glass transition and melting temperatures, higher vapor pressures of more than 5 bar can be anticipated to enable sufficient interdiffusion).
A small number of scientific papers and patents on bead foams based on engineering polymers have already been published. The present work follows on from the investigations of Köppl et al., in which the successful production of beads from polybutylene terephthalate (PBT) has already been demonstrated, but not their consolidation and thus not the description of the (thermo-) mechanical properties of the molded parts. The subject of the present work are bead foams based on PBT and the implementation of a strategy that leads to lower densities (at least < 230 kg/m3) and allows the consolidation of the individual beads into the molded part, thus going far beyond the current state of the art. An important part of this is the chemical modification of PBT and the description of the associated effects on process behavior and material properties. The addition of a multifunctional epoxy-based oligomeric chain extender (Joncryl® ADR 4468 from BASF SE) results in build-up (but also degradation) processes in the melt state, and an optimal concentration in terms of expansion and molded part properties in the range of 1 wt. % chain extender has been successfully identified. In particular, the rheological behavior is significantly changed by increasing the molecular weight and introducing branching. This affects the achievable density and cell morphology during foaming. However, process parameters such as extruder throughput and water temperature during underwater pelletizing also have a major influence.
For the first time, it has been possible to consolidate foamed beads made of PBT into molded parts of high quality using superheated steam. Part densities of at least approx. 160 kg/m3 could be achieved. The interdiffusion mechanisms occurring during consolidation appear to differ from those known (cf. for EPS and EPP, respectively). It is also striking that a sufficiently wide processing window could only be found in the case of chemical modification. Corresponding hypotheses about the consolidation behavior were made. Various (thermo-) mechanical characterizations demonstrated a significantly higher resistance to compression deformation, especially at high temperatures (i.e., 150 °C and higher) than a reference made of EPP. The potential of the E-PBT molded parts could be demonstrated using various pressing processes under the influence of pressure and temperature for the production of sandwich structures with thermoset and thermoplastic face sheets.