Ziel der Arbeit ist es, die Interphase zwischen Nanopartikeln und Polymer zu charakterisieren. Durch Zugversuche soll ihre Dicke für verschiedene Partikelsorten bestimmt werden. Dafür wird ein Ansatz für das Kompositsystem benutzt, der die Anbindung der Partikel an das Polymer über die Streckgrenze des Komposits bestimmt. Da sich die Interphase bei Nanopartikeln aufgrund der hohen Oberfläche zu Volumen Verhältnisses sehr schnell überlappen, wird die Versuchsreihe auf kleine Füllgehalte beschränkt.
Es werden verschiedene hydrophobe Siliciumdioxidnanopartikel mit verschieden großen Oberflächen und zwei unterschiedlichen Oberflächenfunktionalisierungen eingesetzt. Um Störgrößen auszuschließen, werden zudem noch andere Effekte der Partikel auf das Polymer untersucht, die durch den zur Analyse verwendeten Ansatz nicht berücksichtigt werden, wie die Änderung der molaren Masse und der Sphärolithgröße.
Im Zuge der Energiewende werden erneuerbare Energien immer wichtiger. Ein Problempunkt ist hier oftmals die Verfügbarkeit, da die Erzeuger der erneuerbaren Energien oftmals an entlegenen Orten liegen. Eine effiziente Möglichkeit der Energieübertragung ist die HGÜ-Technik. Dafür muss der Strom von AC auf DC umgespannt werden. Dafür ist es nötig, die elektrische Energie bei den Offshore-Windparks in der Nordsee in Dünnfilmkondensatoren auf Offshore-Plattformen zwischenzuspeichern. Dabei ist es wichtig, diese Plattformen wirtschaftlich zu machen.
Ein Punkt ist hierbei die Größe der Plattformen. Um diese bei gleichbleibender Leistung zu verringern, muss die Durchbruchfeldstärke des verwendeten Dielektrikums erhöht werden. Dafür wird aktuell Polypropylen verwendet. Eine Möglichkeit das PP-Dielektrikum zu verbessern, ist das Hinzufügen von Siliziumdioxidnanopartikeln (1). Durch die Zugabe der Nanopartikel bildet sich zwischen ihnen und dem Polymer eine Interphase mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften. Der Füllgehalt muss so eingestellt werden, dass sich möglichst viel Interphase bildet, sich die einzelnen Interphasen aber nicht überlappen, da dies eine Reduktion der BDFS zur Folge hat (2).
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Grundlagen
- Streckgrenze von Polymeren
- Interphase in Polymer-Nanopartikel Kompositen
- Einfluss der Interphase auf die mechanischen Eigenschaften
- Nanopartikel als Keimbildner in Polypropylen
- Einfluss der Nanopartikel auf die Kristallinität
- Differential Scanning Calorimetry (DSC)
- Versuchsdurchführung
- Materialien
- Probenherstellung
- Castfilm Extrusion
- Compoundieren & Heißpressen
- Versuchsmethoden
- Glührückstand
- Polymerdegradierung
- Zugversuche
- DSC-Analyse
- Lichtmikroskopische Untersuchungen
- Ergebnisse
- Reproduzierbarkeit der Castfilmproben
- Orientierungen in den Castfilmproben
- Weibullverteilung der Streckgrenze
- Weibullverteilung der Bruchspannung
- Vergleich der Moduli von Streckgrenze und Bruchspannung
- Weibullverteilung der Bruchdehnung
- Analyse der Castfilme
- Einfluss der Nanopartikel auf den Spannungs-Dehnungs-Verlauf
- Pukánszky-Fit der Castfilme
- Untersuchung der Molmassenabhängigkeit
- Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze
- Untersuchung der Sphärolithe im Castfilm
- Durchmesser der Sphärolithe
- Aspektverhältnis der Sphärolithe
- Schiefe der Sphärolithgrößenverteilung
- Untersuchung der heißgepressten Platten
- Untersuchung der Sphärolithe
- Streckgrenzenverlauf aller untersuchten Pressproben
- Pukánszky-Fit der Pressproben
- Bestimmung der Interphaseneigenschaften
- Reproduzierbarkeit der Castfilmproben
- Fazit
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Charakterisierung der Interphase zwischen Polypropylen (PP) und Siliziumdioxid-Nanopartikeln. Im Fokus steht die Bestimmung des Interphasenanteils mittels mechanischer Analyse, um die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Kompositsystems zu untersuchen.
- Bestimmung des Interphasenanteils in PP/SiO2-Nanopartikel-Kompositen durch mechanische Analyse
- Einfluss von Nanopartikelgröße und Oberflächenfunktionalisierung auf die Interphase
- Korrelation von Interphase mit mechanischen Eigenschaften des Komposits
- Untersuchung der Sphärolithgröße und -morphologie in Abhängigkeit von der Nanopartikelkonzentration
- Optimierung des Füllgehalts für eine maximale Interphasebildung und verbesserte mechanische Eigenschaften
Zusammenfassung der Kapitel
Die Einleitung stellt den Hintergrund der Arbeit vor und erläutert die Bedeutung der Interphase für die Eigenschaften von Polymer-Nanopartikel-Kompositen. Kapitel 2 behandelt die theoretischen Grundlagen, wobei die Streckgrenze von Polymeren, die Interphase in Kompositen und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften sowie die Rolle von Nanopartikeln als Keimbildner und deren Einfluss auf die Kristallinität von PP behandelt werden. Kapitel 3 beschreibt die Versuchsdurchführung, einschließlich der verwendeten Materialien, der Probenherstellung und der angewandten Messmethoden. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse der verschiedenen Experimente präsentiert und analysiert. Neben der Reproduzierbarkeit der Castfilmproben werden der Einfluss der Nanopartikel auf den Spannungs-Dehnungs-Verlauf, die Molmassenabhängigkeit, die Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze, die Sphärolithgröße und die Interphaseneigenschaften diskutiert. Das Kapitel enthält auch eine detaillierte Analyse der heißgepressten Platten und deren Vergleich mit den Castfilmproben.
Schlüsselwörter
Die Arbeit befasst sich mit wichtigen Schlüsselbegriffen wie Polypropylen, Siliziumdioxid-Nanopartikel, Interphase, mechanische Eigenschaften, Streckgrenze, Spannungs-Dehnungs-Verlauf, Sphärolith, Kristallinität, Füllgehalt, Zugversuche, Differential Scanning Calorimetry (DSC), Weibull-Verteilung.
- Arbeit zitieren
- Frederik Schmitt (Autor:in), 2019, Bestimmung des Interphasenanteils von PP und SiO2, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/899519
