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
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Streckgrenze von Polymeren
2.2 Interphase in Polymer-Nanopartikel Kompositen
2.3 Einfluss der Interphase auf die mechanischen Eigenschaften
2.4 Nanopartikel als Keimbildner in Polypropylen
2.5 Einfluss der Nanopartikel auf die Kristallinität
2.6 Differential Scanning Calorimetry (DSC)
3 Versuchsdurchführung
3.1 Materialien
3.2 Probenherstellung
3.2.1 Castfilm Extrusion
3.2.2 Compoundieren & Heißpressen
3.3 Versuchsmethoden
3.3.1 Glührückstand
3.3.2 Polymerdegradierung
3.3.3 Zugversuche
3.3.4 DSC-Analyse
3.3.5 Lichtmikroskopische Untersuchungen
4 Ergebnisse
4.1 Reproduzierbarkeit der Castfilmproben
4.1.1 Orientierungen in den Castfilmproben
4.1.2 Weibullverteilung der Streckgrenze
4.1.3 Weibullverteilung der Bruchspannung
4.1.4 Vergleich der Moduli von Streckgrenze und Bruchspannung
4.1.5 Weibullverteilung der Bruchdehnung
4.2 Analyse der Castfilme
4.2.1 Einfluss der Nanopartikel auf den Spannungs-Dehnungs-Verlauf
4.2.2 Pukánszky-Fit der Castfilme
4.3 Untersuchung der Molmassenabhängigkeit
4.4 Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze
4.5 Untersuchung der Sphärolithe im Castfilm
4.5.1 Durchmesser der Sphärolithe
4.5.2 Aspektverhältnis der Sphärolithe
4.5.3 Schiefe der Sphärolithgrößenverteilung
4.6 Untersuchung der heißgepressten Platten
4.6.1 Untersuchung der Sphärolithe
4.6.2 Streckgrenzenverlauf aller untersuchten Pressproben
4.6.3 Pukánszky-Fit der Pressproben
4.6.4 Bestimmung der Interphaseneigenschaften
5 Fazit
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die Charakterisierung der Interphase zwischen Polypropylen (PP) und Siliziumdioxidnanopartikeln, um deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verstehen. Durch gezielte Zugversuche und die Anwendung mathematischer Ansätze soll die Dicke der Interphase bestimmt und deren Rolle für die mechanische Stabilität quantifiziert werden.
- Charakterisierung der Interphase in Polymer-Nanopartikel-Kompositen
- Einfluss von Nanopartikeln auf Kristallinität und Sphärolithwachstum
- Bestimmung mechanischer Kennwerte mittels Zugversuchen und Weibullverteilungen
- Analyse der Anbindungseigenschaften durch Pukánszky-Modellierung
- Vergleich unterschiedlicher Herstellungsmethoden (Castfilm vs. Heißpressen)
Auszug aus dem Buch
2.4 Nanopartikel als Keimbildner in Polypropylen
Pyrogen hergestellte Siliziumdioxidnanopartikel (SiO2) besitzen auf ihrer Oberfläche viele Hydroxylgruppen und sind dadurch hydrophil. Sie unterscheiden sich in dieser Eigenschaft somit vom hydrophoben PP. Deswegen sind diese beiden Stoffe auch nicht miteinander mischbar. Dadurch ist es erschwert, eine gute Dispergierung der Partikel zu erreichen. Für gut dispergierte hydrophile Partikel gilt theoretisch, dass sie die Nukleation von Kristallkeimen stärker begünstigen als hydrophobe (8). Die schlechte Dispergierung und starke Neigung zur Agglomeration führt aber in der Realität oftmals dazu, dass diese Partikel keinen Einfluss auf die Nukleation von Kristallphase in PP haben. Um dies zu ändern, werden sie oftmals mit hydrophoben Gruppen bestückt. Die Nukleationsrate pro Volumen kann so deutlich erhöht werden (9). Die Nanopartikel fungieren dann als heterogene Keimbildner. Zwischen Polymer und Partikel bildet sich leichter eine Grenzfläche, als dass sich die freie Oberfläche einer Kristallphase bildet. Diese schon vorhandene Oberfläche sorgt dafür, dass die aufzubringende freie Energie zum Starten einer Kristallisation und somit auch die Keimgröße verringert werden (10). Als Folge gibt es im Polymer mehr Nukleationszentren und somit auch mehr Sphärolithe.
Durch die erhöhte Anzahl an Sphärolithen verringert sich der Sphärolithdurchmesser. Sie stoßen in ihrem Wachstum früher aufeinander und behindern sich so gegenseitig. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmendem Füllgrad. Sobald starke Agglomeration einsetzt, steigt die Zahle der Keime trotz steigendem Füllgrad nicht weiter an, der Sphärolithdurchmesser stagniert. Erst bei noch höheren Füllgraden (ca. 8 Vol.-%) wird die Polymerbeweglichkeit durch Partikel-Matrix Wechselwirkungen eingeschränkt, sodass das Sphärolithwachstum erneut gehindert wird. Ein erneuter Abfall des Durchmessers ist die Folge (11). Dies liegt am sog. Spatial Confinement. Die Wachstumsrate der Sphärolithe wird durch die Nanopartikel gemindert, weil die Polymerketten in ihrer Bewegung eingeschränkt werden (ähnlich wie bei einer Erhöhung der molaren Masse) (9). Dies wird durch den sinkenden Abstand d zwischen zwei Partikeln mit zunehmendem Füllgehalt erklärt (Gleichung [7]).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung der Problematik bei der Energieübertragung und Zielsetzung der Interphasencharakterisierung in PP-SiO2-Kompositen.
2 Grundlagen: Theoretische Erläuterung der Streckgrenze, der Interphasenbildung, der Rolle von Nanopartikeln als Keimbildner und der DSC-Analytik.
3 Versuchsdurchführung: Dokumentation der verwendeten Materialien sowie der Herstellung von Castfilmen und heißgepressten Proben mittels Extrusion und Knetprozessen.
4 Ergebnisse: Auswertung der mechanischen Daten inklusive Weibullverteilungen, Sphärolithanalysen und Pukánszky-Fit-Berechnungen zur Interphasenbestimmung.
5 Fazit: Zusammenfassende Betrachtung der Erkenntnisse über die Interphasenanbindung und Bewertung der Anwendbarkeit des gewählten mathematischen Modells.
Schlüsselwörter
Polypropylen, Siliziumdioxidnanopartikel, Interphase, Streckgrenze, Zugversuch, Weibullverteilung, Sphärolithe, Kristallisation, Komposite, Pukánszky-Modell, Nanokomposit, Materialversagen, Polymerphysik, Keimbildung, Füllgehalt.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die mechanischen Eigenschaften und die Interphasenbildung von Polypropylen, das mit verschiedenen Siliziumdioxidnanopartikeln verstärkt wurde.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder sind die Probenherstellung mittels Extrusion und Heißpressen, die mechanische Prüfung durch Zugversuche sowie die morphologische Analyse der Sphärolithstruktur.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Eigenschaften der Interphase zwischen dem Polymer und den Nanopartikeln zu charakterisieren und deren Einfluss auf die mechanische Belastbarkeit des Komposits zu bestimmen.
Welche wissenschaftlichen Methoden wurden verwendet?
Neben Zugversuchen wurden DSC-Analysen (Differential Scanning Calorimetry) zur thermischen Untersuchung und lichtmikroskopische Verfahren zur Analyse der Sphärolithstruktur eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der detaillierten Auswertung der Versuchsreihen, der Anwendung des Pukánszky-Fits zur Bestimmung der Interphaseneigenschaften sowie dem Vergleich verschiedener Partikelmodifikationen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Forschungsarbeit?
Wichtige Begriffe sind Nanokomposite, Pukánszky-Modell, Weibullverteilung der mechanischen Kennwerte und die Analyse des Sphärolithwachstums in Abhängigkeit vom Füllgehalt.
Warum spielt die Herstellungsmethode (Castfilm vs. Pressplatte) eine Rolle?
Die Untersuchung zeigt, dass das Herstellungsverfahren einen signifikanten Einfluss auf die Dispergierqualität der Partikel und damit auf das mechanische Materialverhalten hat.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor bezüglich des Pukánszky-Modells?
Der Autor stellt fest, dass die angewandte Gleichung für das untersuchte System teils unrealistische Werte für die Interphaseneigenschaften liefert und daher für Nanopartikel möglicherweise nicht ausreichend präzise ist.
- Arbeit zitieren
- Frederik Schmitt (Autor:in), 2019, Bestimmung des Interphasenanteils von PP und SiO2, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/899519
