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"Fiber Sage" - Development of a generalized material model for high performance fibers with incorporated nanoparticles

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Term from 2010 to 2016
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 178963302
 
Final Report Year 2017

Final Report Abstract

Die wesentlichen Erkenntnisse dieses Projekts sind: i) Die mechanischen Eigenschaften von Polymer-Nanokompositfasern können durch Nanopartikel massiv beeinflusst werden. Ob es zu signifikanten Änderungen tatsächlich kommt, ist allerdings nicht ohne weiteres vorhersagbar. Somit kann ein im Wesentlichen von Konzentration und Orientierungsverhalten der Nanopartikel abhängiges Werkstoffmodell im Rahmen dieses Forschungsvorhabens auf der Basis der vorliegenden Daten nicht erstellt werden. Insbesondere für die Polymernanokomposite mit 2D-Nanopartikeln (Schichtsilikate, Graphit) lassen sich aufgrund des hohen Orientierungsgrades der Nanoadditive keine signifikanten Abhängigkeiten der mechanischen Eigenschaften (abgesehen von den durch mechanische Verstreckung erreichbaren und hinreichend bekannten Änderungen) ausmachen. Die Analysen geben jedoch deutliche Hinweise, dass die Nanoteilchen die Polymerstruktur entlang der Faserachse verstärken und somit zu einer verbesserten Langzeitstabilität der Nanokompositfasern im Vergleich zu reinen Polymerfasern beitragen. ii) Für den Fall hochorientierter Nanopartikel in der Polymermatrix konnte für Nanoschichtsilikate und Nanographitteilchen in PA6 ein – vom mechanischen Verstreckungsverhältnis und von der Nanoteilchenkonzentration abhängiger – Kristallisationsmechanismus erarbeitet werden, welcher sehr wahrscheinlich auch auf andere Polymer-Nanokompositfasern übertragbar ist. Dieser Mechanismus besteht grob aus zwei Stufen, wobei in Stufe 1 (während des Schmelzspinnens) Polymerkristallite auf den Oberflächen der Nanoteilchen kristallisieren, die Kristallisation in der Polymermatrix („Bulk“-Kristallisation) jedoch mit steigender Nanoteilchen-Konzentration zunehmend gestört bzw. nahezu völlig unterbunden wird, d.h., für genügend hohe Nanoteilchen-Konzentrationen findet die Kristallisation des Polymers ausschließlich auf den Teilchenoberflächen statt. In Stufe 2 (beim mechanischen Verstrecken der Fasern) werden die auf den Nanopartikeloberflächen gewachsenen Polymerkristallite durch die lokal hohe Scherung wieder abgebaut (d.h., die Kristallinität in der Kompositfaser sinkt zunächst), die sog. „Bulk“-Kristallisation nimmt mit steigender Verstreckung zu und ist schließlich hauptursächlich für die Polymerkristallisation. iii) Der für PA6 mit steigender Verstreckung stattfindende Übergang von der γ- in die thermodynamisch stabile α-Phase lässt sich für reines PA6 im Wesentlichen bestätigen. Die häufig dokumentierte Stabilisierung der γ-Phase und die damit einhergehende Verzögerung des γ -> α Phasenübergangs durch Präsenz von Nanoschichtsilikatpartikeln erweist sich nur teilweise als korrekt. Tatsächlich kann festgestellt werden, dass anstatt der γ-Phase die sog. δ-Phase von PA6 stabilisiert wird. Die metastabile δ-Phase ist in Faserrichtung der α-Phase ähnlich und entspricht senkrecht zur Faserachse der γ-Phase. Dieses Ergebnis erscheint plausibel, da durch das Verstrecken der γ -> α Übergang in Faserrichtung stattfinden kann, ohne die Struktur senkrecht zur Faserachse wesentlich zu verändern. Ähnliches gilt auch für PA6/-Nanographit Kompositfasern. Hier wird – im Gegensatz zu den Schichtsilikaten – die α-Phase in der Faserquerschnittsebene stabilisiert, d.h., bei geringer Verstreckung lässt sich eine in Faserachse „fehlgeordnete“ α-Phase beobachten, welche mit steigender Verstreckung in die „normale“ α-Phase übergeht.

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