Verbesserung der mechanischen Eigenschaften unmischbarer Polymerblends durch maßgeschneiderte Januspartikel als Verträglichkeitsvermittler
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes konnten erstmals Janus Nanopartikel (JP) in technologisch relevanten Mengen (mehrere 100 g) synthetisiert und für die Herstellung von Polymerblends im industriellen Maßstab eingesetzt werden. Die JP wurden durch einen neuartigen, Lösungsmittel-basierten Prozess aus einem linearen Polystyrol-block-polybutadien-block-polymethylmethacrylat (SBM) Triblock-Terpolymer hergestellt und anschießend als Phasenvermittler in unverträglichen Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylenether)/Poly(styrol-co-acrylnitril) (PPE/SAN) Polymerblends im industrierelevanten Maßstab durch Extrusion verarbeitet (Durchsatz: 1 kg/h). Im Vergleich zum reinen co-kontinuierlichen PPE/SAN-Blend und dem mit SBM Triblock-Terpolymer (10 Gew-%) kompatibilisierten Blend, konnte mit JP eine wesentlich kleinere PPE-Tröpfchengröße (unter 300 nm bei 10 Gew-% JP) und eine homogenere Verteilung der PPE Tröpfchen in der SAN-Matrix erreicht werden. Dies manifestiert die ausgezeichnete Einsatzbarkeit von JP als Verträglichkeitsvermittler in Polymerblends. Es muss hierbei allerdings berücksichtigt werden, dass die Blendmorphologie sehr stark von der Art der Verarbeitung und den verwendeten Geräten (Mini-Compounder (g-Maßstab) gegenüber Extruder (kg-Maßstab)) abhängt. Dies zeigt, dass Extrusionen im industrierelevanten Maßstab unabdinglich sind um mögliche Anwendungsfelder zu erschließen. Bruchmechanische Untersuchungen haben gezeigt, dass die mit JP kompatibilisierten Blends eine viel stärkere Grenzflächenanbindung besitzen als das reine oder mit SBM Triblock-Terpolymer kompatibilisierte Blendsystem. Dies führt zu einer höheren Festigkeit und Steifigkeit der Phasengrenzfläche in den JP basierenden Blends, die allerdings mit einer im Vergleich zum SBM kompatibilisierten Blend wesentlich niedrigeren Zähigkeit einhergeht. Um Synergien in den mechanischen Eigenschaften zu erreichen, kann die Mikro-/Nanostruktur der Blends aber durch eine Mischung aus JP und SBM Triblock-Terpolymer maßgeschneidert und so die Zähigkeit wesentlich verbessert werden. Diese Kombination aus JP und SBM Triblock-Terpolymer als Phasenvermittler resultiert in einer quasi co-kontinuierlichen Morphologie und sowohl die Verkleinerung der PPE-Tröpfchengröße (durch JP) als auch die elastischere Grenzfläche (durch SBM) des PPE/SAN-Blends führt insgesamt zu einer erheblich verbesserten Beständigkeit gegen Ermüdungsrissausbreitung. Für die Entwicklung von Polymerblends mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften ist es daher essentiell, die wirksamen Deformationsmechanismen für jeden einzelnen Phasenvermittler zu kennen um die Morphologie der Blend-Systeme exakt an die Anforderungen anpassen zu können. JP können zudem als hocheffiziente Nukleierungsmittel in PPE/SAN-Schäumen verwendet werden, was das große Potential von JP in technologisch relevanten Anwendungen unterstreicht. Die JP erhöhen die Schmelzefestigkeit während der Verarbeitung, wodurch Zellstrukturen mit kleineren Schaumzellen effizient stabilisiert werden können. Die durch JP vermittelte starke Anbindung zwischen den PPE und SAN Phasen führt zudem zu sehr homogenen Schäumen mit einer partiell offenen Zellstruktur. Im Vergleich zum reinen PPE/SAN Schaum konnte die Zellgröße im JP kompatibilisierten Schaum um 50 % auf 900 nm reduziert werden und die Zelldichte nahm insgesamt um etwa 40 % von 900 kg/m3 auf 550 kg/m3 ab.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Facile, Solution-Based Synthesis of Soft, Nanoscale Janus Particles with Tuneable Janus Balance” J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13850-13860
Gröschel, A. H.; Walther, A.; Löbling, T. I.; Schmelz, J.; Hanisch, A.; Schmalz, H.; Müller, A. H. E.
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“Janus Micelles as Effective Supracolloidal Dispersants for Carbon Nanotubes” Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3602-3606; Angew. Chem. 2013, 125, 3688-3693
Gröschel, A. H.; Löbling, T. I.; Petrov, P. D.; Müllner, M.; Kuttner, C.; Wieberger, F.; Müller, A. H. E.
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“The Impact of Janus Nanoparticles on Immiscible Polymer Blends under Technologically Relevant Conditions” ACS Nano 2014, 8, 10048-10056
Bahrami, R.; Löbling, T. I.; Gröschel, A. H.; Schmalz, H.; Müller, A. H. E.; Altstädt, V.
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Micromechanics of “raspberry” morphology in PPE/SAN polymer blends compatibilized with linear ABC triblock terpolymers. Polymer, Volume 80, 2 December 2015, Pages 52-63
Bahrami, R.; Löbling, T. I.; Schmalz, H.; Müller, A. H. E.; Altstädt, V.
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Polymer foams made of immiscible polymer blends compatibilized by Janus particles—effect of compatibilization on foam morphology. Adv. Eng. Mater. 2016, 18 (5), 814-825
Bärwinkel, S.; Bahrami, R.; Löbling, T. I.; Schmalz, H.; Müller, A. H. E.; Altstädt, V.
