Technologie der Kristallisation von Polyamid 6 über einen mesomorphen Zwischenzustand zwecks Erzeugung einer teilkristallinen Struktur mit spezifischen Eigenschaften. Teil II: Kinetik der homogenen Keimbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im ersten Förderabschnitt des Forschungsvorhabens wurden zunächst detaillierte Informationen sowohl zum Einfluss der Schmelzeabkühlrate auf die Strukturbildung als auch die Kinetik der Reorganisation während nachfolgender Wärmebehandlung gewonnen. Formation der Mesophase erfolgt durch Abkühlung der Schmelze mit einer Kühlrate zwischen etwa 10 und 150 K s^−1; höhere Abkühlgeschwindigkeiten führen zu vollständiger Verglasung der unterkühlten Schmelze. Bei Raumtemperatur ist das vollständig verglaste Material instabil und Alterung führt zur Entstehung von Mesophase selbst im Glaszustand. Wärmebehandlung bei Raumtemperatur amorpher oder teilmesomorpher Proben führt in Abhängigkeit von den Temperbedingungen zur Erhöhung des Anteils an geordneter Phase, Rekristallisation der Mesophase und gegenüber konventionell bei niedriger Schmelzeunterkühlung kristallisiertem PA 6 vollkommen veränderten Eigenschaften. Diese beruhen vor allem auf der nodularen Gestalt der Kristalle sowie der Abwesenheit einer sphärolithischen Superstruktur. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Möglichkeit der Generierung optisch transparenter Filme mit gleichzeitig hoher Steifigkeit, Streckgrenze und Duktilität. Während die optische Transparenz auf das Fehlen einer sphärolithischen Überstruktur zurückzuführen ist, können die Steifigkeit und Streckgrenze in einem weiten Bereich über den variablen Kristallinitätsgrad eingestellt werden. Im zweiten Förderabschnitt wurde eine quantitative Beschreibung des Zusammenhanges zwischen den Schmelzeabkühl- und Alterungsbedingungen von amorphem, also während der Abkühlung nicht kristallisiertem PA 6 einerseits und der Kinetik von Ordnungsprozessen bei Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur vorgenommen. Es wurde nachgewiesen, dass in schnell abgekühltem PA 6 sich auch unterhalb der Glasübergangstemperatur homogene Krisallisationskeime bilden, welche maßgeblich das Kaltkristallisationsverhalten bei auch nur geringer Temperaturerhöhung, wie im praktischen Einsatz dieses wichtigen Polymerwerkstoffes zu erwarten ist, beeinflussen. Mit der Bereitstellung der Temperaturabhängigkeit kinetischer Konstanten der homogenen Keimbildung für PA 6 können konkrete Schlussfolgerungen sowohl zur Optimierung von Verarbeitungs- und Einsatzbedingungen zwecks Vermeidung unerwünschter, weil mit zeitlicher Änderung von Eigenschaften verbundenden Strukturänderungen, als auch zur Möglichkeit von über homogene Keimbildung in Kombination mit nachfolgender Kaltkristallisation kontrollierten Generierung in allen Dimensionen nanoskaliger kristalliner Strukturen gezogen werden. Die Forschungsergebnisse dieses Projektes ermöglichen es, durch gezielte Wahl der Kristallisationsbedingungen eine Nanostruktur bestehend aus einer amorphen Phase und nodularen Domänen definierter innerer Struktur und Abmessungen zu erzeugen. Die Ermittlung der technologischen Bedingungen der Kristallisation zur Erzielung nicht-sphärolithischer teilkristalliner Strukturen mit gegenüber konventionell kristallisiertem PA 6 veränderten Eigenschaften leistet einen Beitrag sowohl zur Erweiterung des Spektrums von Einsatzgebieten polyamidbasierter Kunststoffe als auch zur Optimierung von Schmelzeverarbeitungsverfahren zwecks Einstellung spezifischer Strukturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effect of cooling rate on the crystal/mesophase polymorphism of polyamide 6. Colloid Polym Sci 289, 1073–1079 (2011)
Cavallo, D.; Gardella, L.; Alfonso, G.C.; Portale, G.; Balzano, L.; Androsch, R.
- Structure formation of polyamide 6 from the glassy state by fast scanning chip calorimetry. Polymer 52, 5156–5165 (2011)
Kolesov, I.; Mileva, D.; Androsch, R.; Schick, C.
- Morphology of cold-ordered polyamide 6. Colloid Polym Sci 290, 971–978 (2012)
Mileva, D.; Kolesov, I.; Androsch R.
- Morphology of mesophase and crystals of polyamide 6 prepared in a fast scanning chip calorimeter. Polymer 53, 3994–4001 (2012)
Mileva, D.; Androsch, R.; Zhuravlev, E.; Schick, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2012.06.045) - The rigid amorphous fraction of cold-crystallized polyamide 6. Polymer 53, 4070-4077 (2012)
Kolesov, I.; Androsch, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2012.08.017) - Crystallization of a polyamide 6/montmorillonite nanocomposite at rapid cooling. Macromol Mat Eng 298, 938–943 (2013)
Mileva, D.; Monami, A.; Cavallo, D.; Alfonso, G.C.; Portale, G.; Androsch, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mame.201200253) - Microfocus wide-angle X-ray scattering of polymers crystallized at different supercooling in a fast scanning chip calorimeter. Thermochimica Acta 563, 33–37 (2013)
van Drongelen, M.; Meijer-Vissers, T.; Cavallo, D.; Portale, G.; Vanden Poel, G.; Androsch, R.
- Mechanical behavior and optical transparency of polyamide 6 of different morphology formed by variation of the pathway crystallization Polymer Bulletin
Kolesov, I.; Mileva, D.; Androsch R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00289-013-1079-9) - Sequence of enthalpy relaxation, homogenous crystal nucleation and crystal growth in glassy Polyamide 6. European Polymer Journal, Volume 53, April 2014, Pages 100-108
Androsch, R.; Schick, C., Schmelzer, J. W. P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2014.01.012)
