Maßschneidern mechanischer Eigenschaften von Multischichtpolymeren durch Nanostrukturentwicklung unter eingeschränkter Umgebung
Final Report Abstract
Im Projekt wurden mehrere polymere Multischichtfolien unterschiedlicher Polymerkombinationen (PS/PMMA, PC/PMMA, PET/PC, PP/PS und PP/PA6) untersucht. Dabei wurden sowohl die Foliendicke, die Schichtanzahl und das Verhältnis Polymer A/Polymer B variiert, so dass Schichtdicken vom µm-Bereich bis in den nm-Bereich gezielt eingestellt werden konnten. Ziel der Untersuchungen war es, die Nanostrukturentwicklung und Grenzflächenwechselwirkungen und deren Einflüsse auf die mikromechanischen und mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Dicke der einzelnen Schichten aufzuklären. Außerdem sollten anhand der Ergebnisse die Bedingungen definiert werden, unter denen ein möglichst großes Potential an Eigenschaftsverbesserungen realisiert werden kann. Trotz der großen Eigenschaftsunterschiede der Ausgangspolymere (vor allem in den mechanischen Eigenschaften und der Kristallisationsfähigkeit) konnten im Hinblick auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften dieser Folien Gemeinsamkeiten erkannt werden. So werden die mechanischen Eigenschaften der Multischichtfolien von den beiden Ausgangspolymeren bzw. deren Art (spröd oder duktil) bestimmt. Maßgeblichen Einfluss auf die Endeigenschaften haben aber vor allem die Dicken der einzelnen Schichten der beiden Polymere. Liegt die Schichtdicke des spröden Polymers unterhalb einer kritischen Größe und ist die des duktilen Polymers mindestens doppelt so dick, so kommt es zu einem vorteilhaften spröd-zäh Übergang. Die kritischen Werte sind für die unterschiedlichen Polymerkombinationen verschieden. Bei Kombination zweier spröder Polymere konnte auch bei extrem dünnen Schichten kein duktiles Verhalten beobachtet werden. Generell konnte bei allen Polymerkombinationen mit Abnahme der Schichtdicke eine Zunahme der Bruchdehnung festgestellt werden – bei den spröden Folien ist die Zunahme sehr gering und daher eher als Trend zu bezeichnen, bei den duktilen Folien ist die Zunahme deutlich. Der spröd-zäh Übergang der makroskopischen Eigenschaften ist durch eine Änderung der mikromechanischen Deformationsmechanismen gekennzeichnet. Im Fall der Kombination PC/PMMA sind die Folien mit den dicken Schichten spröd. Im TEM kann beobachtet werden, dass jede Schicht mit den für das jeweilige Bulk-Material typischen Deformationsstrukturen auf die äußere Belastung reagiert – PC bildet Scherbänder, PMMA bildet Crazes. Werden die Schichten dünner, so gehen die Scherbänder über den gesamten Folienquerschnitt. An den Stellen, an denen die Scherbänder die PMMA-Schichten kreuzen, bilden sich innerhalb der PMMA-Schichten Crazes aus. Das Material zeigt somit einen ausgeprägten Übergang im Deformationsverhalten von einem typischen „Zwei-Komponenten-System“ zu dem eines „Ein-Komponenten-Systems“. Zukünftige Arbeiten, die auf dem Projekt aufbauen, können in zwei Bereichen angesiedelt werden. Bereich 1 ist die Grundlagenforschung, die sich mit den Fragen der Konfiguration und Konformation der Polymerketten in extrem dünnen Schichten (Schichtdicke ≤ Knäueldurchmesser) beschäftigt. Eine Aufklärung der Knäuelstruktur unter diesen Bedingungen könnte eine Erklärung für die im Rahmen des Projektes gefundenen Effekte sein. Andere Arbeiten (Bereich 2) könnten anwendungsorientierter verlaufen und zum Beispiel hochflexible Multischichtfolien mit speziellen optischen, elektrischen oder Barriereeigenschaften entwickeln.
Publications
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S. Scholtyssek, V. Seydewitz, R. Adhikari, F. Pfeifer, G.H. Michler, H.W. Siesler, E. Baer, A. Hiltner
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G.H. Michler, F. Baltá-Calleja
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F. Ania, F.J. Baltá-Calleja, A. Flores, G.H. Michler, S. Scholtyssek, D. Khariwala, A. Hiltner, E. Baer, L. Rong, B.S. Hsiao
(See online at https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2011.10.003)
