Elastische Eigenschaften von Polymerschmelzen mit verschiedenem molekularem Aufbau in Scherung und Dehnung sowie deren theoretische Beschreibung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Joachim Kaschta; Professor Dr.-Ing. Manfred H. Wagner
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 52077538

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens war es, den Einfluss des molekularen Aufbaus von Polymeren auf elastische Eigenschaften ihrer Schmelzen zu untersuchen. Als die wesentlichen molekularen Größen wurden in diesem Vorhaben die Molmasse, die Molmassenverteilung und die Verzweigungsarchitektur diskutiert. Ausführliche Messungen des elastischen Verhaltens in Scherung und Dehnung über einen weiten Parameterbereich an molekular umfassend charakterisierten Polymeren waren das erste Teilziel des Projekts. Untersuchungen des elastischen Verhaltens in Dehnung waren vorher nur für ein langkettenverzweigtes Polyethylen publiziert, da die präzise Erfassung dieser Eigenschaft spezielle Apparaturen und Techniken erfordert, die nicht käuflich zu erwerben sind. Die am Lehrstuhl für Polymerwerkstoffe in Erlangen entwickelten Verfahren zur Charakterisierung des Dehnverhaltens von Polymerschmelzen boten eine exzellente apparative Voraussetzung für die Erstellung zuverlässiger Daten. Das zweite Teilziel des Projekts war es zu erforschen, welche Beziehungen zwischen elastischen Eigenschaften in Scherung und Dehnung bestehen. Diese Fragestellung wurde nicht nur für den linearen, sondern auch für den nichtlinearen Bereich betrachtet, da für den letzteren bisher eine theoretische Beschreibung fehlte. Im Mittelpunkt stand dabei die grundlegende Frage, inwieweit elastische Eigenschaften in Dehnung aus denen in Scherung abzuleiten sind. Hier wurden beachtliche Fortschritte erzielt. Messergebnisse des viskoelastischen Verhaltens von Polymerschmelzen in Scherung und Dehnung theoretisch zu beschreiben, war das dritte Ziel des Vorhabens. Dabei wurde nicht nur auf Daten des Projektpartners, sondern auch auf die experimentellen Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen wie Hassager/Lyngby, Filip/Prag, Zatloukal/Zlin, Syrjälä/Tampere und Wilhelm/Karlsruhe zurückgegriffen. Dabei lag die besondere Herausforderung darin, die für Spannversuche etablierte Theorie der Molekularspannungsfunktion weiterzuentwickeln und auch eine Beschreibung von Kriechversuchen zu entwickeln. Die Modellierung von Scher- und Dehneigenschaften erfolgte dabei mit einem einheitlichen Satz molekularer Parameter. Die jetzt erzielte erfolgreiche Modellierung der Experimente eröffnet die Möglichkeit der Voraussage rheologischer Eigenschaften und ist für eine quantitative Simulation von Polymerverarbeitungsprozessen unverzichtbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Dynamics of branch point withdrawal for pom-pom melt, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 1/2008, p.77
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• Verification of branch point withdrawal in elongational flow of pom-pom polystyrene melt, J. Rheol. 52 (2008) 1049-1068
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• Verification of branch point withdrawal in elongational flow of pom-pom polystyrene melt, Proceedings of the XVth Int. Congress on Rheology, Monterey, 2008, USA, 412-414
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• Extensional viscosity in uniaxial extension and contraction flow – comparison of experimental methods and application of the molecular stress function model, Annual Transactions of the Nordic Rheology Society 17 (2009) 167-173
  J. Aho, V.H. Rolón-Garrido, S. Syrjälä, and M.H. Wagner
  
• Modelling elongational and shear rheology of two LDPE melts, Rheol. Acta 48 (2009) 691-697
  V.H. Rolón-Garrido, R. Pivokonsky, P. Filip, M. Zatloukal, and M.H. Wagner
  
• Nonlinear rheology of linear polymer melts: Modeling chain stretch by interchain tube pressure and Rouse time, Korea-Australia Rheology Journal 21 (2009) 203-211
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• Recent Advances in constitutive modelling of polymer melts, Zatloukal, M. (ed.): Novel Trends in Rheology III, Czech Republic 2009, p.16-31
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• Rheological characterization and constitutive modeling of two LDPE melts, Zatloukal, M. (ed.): Novel Trends in Rheology III, Czech Republic 2009, p.32-43
  V.H. Rolón-Garrido, R. Pivokonsky, P.Filip, M. Zatloukal, and M.H. Wagner
  
• The damping function in rheology, Rheol. Acta 48 (2009) 245-284
  V.H. Rolón-Garrido and M.H. Wagner
  
• The role of extensional viscosity in injection molding evaluated by contraction flow simulations, Advances in Polymer Science and Technology 1, p.113, Linz, Austria, 2009
  J. Aho, M. Moog, M. Thornagel, S. Syrjälä, and M.H. Wagner
  
• The interchain pressure effect in shear rheology, Rheol. Acta. 49 (2010) 459-471
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• A new non-linear Parameter for polymer melts, using FT-Rheology, Annual Transactions the Nordic Rheology Society, 19 (2011) 247-250
  K. Hyun, M. Kempf, D. Ahirwal, V.H. Rolón-Garrido, M.H.Wagner, and M. Wilhelm
  
• Analysis of medium amplitude oscillatory shear data of entangled linear and model comb polymers, J. Rheol. 55 (2011), 495-516
  M.H. Wagner, V.H. Rolón-Garrido, K. Hyun, and M. Wilhelm
  
• Prediction of steady-state viscous and elastic properties of polyolefin melts in shear and elongation, Rheol. Acta 50 (2011) 645-653
  V.H. Rolón-Garrido, J.A. Resch, F. Wolff, J. Kaschta, H. Münstedt, and M.H. Wagner
  
• Probing nonlinear viscoelasticity of polymer melts by medium amplitude oscillatory shear (MAOS), Zatoukal, M. (ed.): Novel trends in Rheology IV, American Institute of Physics 2011, p. 95-113
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido
  
• The effect of dynamic tube dilation on chain stretch in nonlinear polymer melt rheology, J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166 (2011) 915-924
  M.H. Wagner
  
• Constant force elongational flow of polymer melts: Experiments and modelling, J.Rheol. 56 (2012) 1279-1297
  M.H. Wagner and V.H. Rolón-Garrido