Processcontrol, Morphology, and Properties in Vibration Welding of Thermoplastic-based Nanocomposites
Final Report Abstract
Die Zugabe von Füllstoffen führt bei allen untersuchten Materialien zu einer Zunahme des E-Moduls, einer material- und füllstoffabhängig geringen Erhöhung der Zugfestigkeit und der Schlagzähigkeit sowie einer Reduktion der Bruchdehnung. Während der E-Modul durch das Schweißen auf globaler Ebene praktisch nicht beeinflusst wird, verringern sich Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit von partikelgefüllten geschweißten Nanokompositen in Abhängigkeit des Fügedrucks zum Teil dramatisch. Bei geringen Fügedrücken und geringen Füllstoffgehalten können Schweißfaktoren von knapp unter eins erreicht werden, bei hohen Fügedrücken und Füllstoffgehalten fallen diese bis auf 0,37 ab. Diese Schwächung ist vor allem auf zwei Aspekte zurückzuführen: die Orientierung im Falle nicht-sphärischer Partikel in der Schweißnaht durch Fließprozesse während des Schweißens sowie eine druck- und füllstoffgehaltabhängige Reduktion der Schmelzeschichtdicke, die sowohl den Abkühlvorgang und damit auch die Kristallisation als auch eine optimale Spannungsverteilung im späteren Lastfall beeinträchtigt. Zudem deuten REM-Aufnahmen auf eine Beeinträchtigung der Füllstoff-Matrix-Anbindung durch den Schweißprozess hin. POM-CNT zeigt hingegen ein deutlich anderes Verhalten: Hier werden im Zugversuch Schweißfaktoren von eins ermittelt, im Schlagbiegeversuch sogar Werte deutlich über eins. Die Ursache hierfür liegt in der besonderen Geometrie der Nanotubes, die länger als die Schmelzeschicht sind und über eine hohe Steifigkeit verfügen. Daher können sich längere CNTs, die senkrecht oder beinahe senkrecht zur Fügeebene stehen und beim Aufschmelzen nur teilweise in der flüssigen Phase gebettet sind, nur zum Teil durch den Schmelzefluss neu orientieren lassen und überbrücken die Schweißnaht. Durch die Amplitudenbewegung und der daraus folgenden Reibung auf den Festkörper kann es zum Brechen der Röhren kommen, die sich ansonsten mit zunehmendem Fügeweg bzw. zunehmender Fügezeit immer weiter in der Schweißnaht anreichern würden. Der Einfluss der Amplitude auf die Festigkeit der Schweißverbindung von PP und PA-Kompositen scheint vernachlässigbar. Lediglich für nicht-sphärische Partikel sind leicht höhere Werte mit der maximal möglichen Amplitude von 0,9 mm erkennbar. Die Untersuchung der lokalen Eigenschaften der Schweißzone zeigt, dass sowohl deformierte Sphärolithe als auch die innere Zone geringere Festigkeitswerte und Steifigkeiten in Fügerichtung besitzen. Für sphärische Partikel konnte gezeigt werden, dass die Eigenschaften nicht oder nur geringfügig richtungsabhängig sind. Partikel mit Aspektverhältnis hingegen führen zu einem richtungsabhängigen Deformationsverhalten. Die Quantifizierung der Eigenschaften in Ausfließrichtung konnte aufgrund der Probekörpergeometrie und einer damit verbundenen Probenlänge von maximal 4 mm nur bedingt umgesetzt werden und führte daher zu keinen belastbaren Ergebnissen. Die Kombination von Mikrozuguntersuchung und Deformationsverhalten im REM erweist sich als nützliche Methode, um auf Kosten von erhöhtem Versuchsaufwand eine größere Breite an Details mit erhöhter Sensitivität zu erschließen (lokale Unterschiede entlang der Naht, Querkontraktion). Die erhoffte höhere Auflösung dagegen konnte nicht erzielt werden, da die Bewegung der Morphologie dem Bildausschnitt und der Belichtungszeit im REM entgegensteht. Insgesamt zeigen die lokalen Untersuchungen, dass unter optimalen Schweißbedingungen Zone der deformierten Sphärolithe die wesentliche „Schwachstelle“ der Verbindung ist. In der Simulation konnten die experimentellen Ergebnisse der lokalen und globalen Eigenschaften mit einem Modell verknüpft werden, das die Berechnung der Spannungsverteilung in Verbindungszone erlaubt. Mit diesem Werkzeug wird es möglich eine virtuelle Geometrieoptimierung einer Schweißverbindung vorzunehmen, solange das strukturbezogene (ggf. orthotrope) mechanische Verhalten in unterschiedlichen Zonen der Schweißnaht bekannt ist.
Publications
-
Vibration welding of carbon nanotube reinforced polyoxymethylene: morphology and mechanical property. 16th European Conference on Composite Materials, Seville, Spain. 22.-26. June 2014
Lin, L.Y., Schlarb, A.K.
-
Investigation on morphology and properties of melt compounded polyoxymethylene/carbon nanotube composites. Journal of Applied Polymer Science (2015)
Lin, L.Y., Schlarb, A.K.
-
Vibration welding of nano-TiO2 filled Polypropylene. Polymer Engineering and Science 55, 2 (2015), pp. 243-250
Lin, L.Y., Schlarb, A. K.
-
Vibration welding of polypropylene-based nanocomposites – The crucial stage for the weld quality. Composites Part B: Engineering 68 (2015), pp. 193-199
Lin, L.Y., Schlarb, A. K.
-
Experimental investigation, modeling and simulation of the deformation behavior of vibration welded nanocomposites. Journal of Plastics Technology 12 (2016), pp. 184-204
Albrecht, M.; Lin, L.Y., Schlarb, A.K.
-
Improved Weld Strength of Vibration Welded Polyoxymethylene/Multiwalled carbon Nanotubes Hybrid Nanocomposites; Polymer Engineering and Science (2016)
Lin, L.Y., Schlarb, A.K.
-
Process–structure–property relationships in semicrystalline polymer-based nanocomposites; In: Mittal V. (Ed): Manufacturing of Nanocomposites with Engineering Plastics, pp.279-298
Lin L.Y., Suksut; B., Schlarb, A.K.
