Rheologische Eigenschaften nanopartikelgefüllter Polymerschmelzen

Beschreibung

In dieser Arbeit wurden nanopartikelgefüllte Polymerschmelzen untersucht. Den Schwerpunkt bildeten dabei rheologische Messungen, wobei der Bestimmung der elastischen Eigenschaften eine besondere Bedeutung zukam. Als Füllstoffe wurden Siliziumdioxidnanopartikel zweier verschiedener Größen verwendet. Ihr mittlerer Primärteilchendurchmesser betrug 20 nm bzw. 70 nm. Als Polymermatrizes wurden Polymethylmethacrylate (PMMA) und Polystyrole (PS) mit unterschiedlichem molekularen Aufbau ausgewählt. Die Messergebnisse lassen sich dahingehend interpretieren, dass die Zugabe von Nanopartikeln in eine Polymerschmelze zu Wechselwirkungen von Molekülen mit der Partikeloberfläche führt. Dadurch werden die Moleküle in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt. Diese Behinderung verursacht Retardations- bzw. Relaxationszeiten in der Größenordnung von mehreren tausend Sekunden, die deutlich höher als die der Matrix liegen. Dynamisch-mechanische Messungen, welche zur Materialcharakterisierung weit verbreitet sind, können aufgrund der begrenzten thermischen Stabilität der Proben bei hohen Messtemperaturen sinnvollerweise nur bis etwa ω = 0,01 rad/s durchgeführt werden, was einem Zeitfenster von 100 s entspricht. Deshalb lässt sich mit dynamisch-mechanischen Experimenten die Interaktion zwischen den Nanopartikeln und den Molekülen nicht umfassend detektieren, da das zugängliche Zeitfenster zu klein ist. Dagegen können im Kriecherholversuch molekulare Prozesse erfasst werden, die in Zeiträumen von mehreren 1000 s stattfinden. Aus diesem Grund kommt in dieser Arbeit dem Kriecherholversuch eine besondere Bedeutung zu. Eine wichtige Kenngröße dieses Versuchsmodus ist die lineare reversible Gleichgewichtsnachgiebigkeit. Darüber hinaus kann aus dem vorhergehenden Kriechversuch auch die Nullviskosität bestimmt werden.
In dieser Arbeit wurden nanopartikelgefüllte Polymerschmelzen untersucht. Den Schwerpunkt bildeten dabei rheologische Messungen, wobei der Bestimmung der elastischen Eigenschaften eine besondere Bedeutung zukam. Als Füllstoffe wurden Siliziumdioxidnanopartikel zweier verschiedener Größen verwendet. Ihr mittlerer Primärteilchendurchmesser betrug 20 nm bzw. 70 nm. Als Polymermatrizes wurden Polymethylmethacrylate (PMMA) und Polystyrole (PS) mit unterschiedlichem molekularen Aufbau ausgewählt. Die Messergebnisse lassen sich dahingehend interpretieren, dass die Zugabe von Nanopartikeln in eine Polymerschmelze zu Wechselwirkungen von Molekülen mit der Partikeloberfläche führt. Dadurch werden die Moleküle in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt. Diese Behinderung verursacht Retardations- bzw. Relaxationszeiten in der Größenordnung von mehreren tausend Sekunden, die deutlich höher als die der Matrix liegen. Dynamisch-mechanische Messungen, welche zur Materialcharakterisierung weit verbreitet sind, können aufgrund der begrenzten thermischen Stabilität der Proben bei hohen Messtemperaturen sinnvollerweise nur bis etwa ω = 0,01 rad/s durchgeführt werden, was einem Zeitfenster von 100 s entspricht. Deshalb lässt sich mit dynamisch-mechanischen Experimenten die Interaktion zwischen den Nanopartikeln und den Molekülen nicht umfassend detektieren, da das zugängliche Zeitfenster zu klein ist. Dagegen können im Kriecherholversuch molekulare Prozesse erfasst werden, die in Zeiträumen von mehreren 1000 s stattfinden. Aus diesem Grund kommt in dieser Arbeit dem Kriecherholversuch eine besondere Bedeutung zu. Eine wichtige Kenngröße dieses Versuchsmodus ist die lineare reversible Gleichgewichtsnachgiebigkeit. Darüber hinaus kann aus dem vorhergehenden Kriechversuch auch die Nullviskosität bestimmt werden.

Autor*in

Christian Triebel

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