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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-61139
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6113/


Streller, Rouven Cornelius

Boehmite als Nanofüllstoffe für Polypropylen-Nanocomposites und Nanopartikel-modifizierte Polypropylen/Kautschuk-Blends

Boehmites as nanofiller for polypropylene nanocomposites and nanoparticle-modified polypropylene/rubber-blends

Dokument1.pdf (19.436 KB) (md5sum: baa79034943f1921320b5bd0627b3e1f)

Kurzfassung in Deutsch

Mittels Schmelzextrusion wurden Polypropylen-Nanocomposites auf der Basis von unmodifizierten und organophil modifizierten Böhmiten hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften sowie ihr morphologischer Aufbau untersucht. Durch die Verwendung unmodifizierter Böhmite unterschiedlicher Kristallitgröße (10 bis 60 nm) und unterschiedlicher Konzentration (5, 10 und 20 Gew.-%) konnte eine Steigerung der Steifigkeit erreicht werden. Bei den größeren Kristalliten wurde darüber hinaus eine Erhöhung der Zähigkeit erzielt. Morphologieuntersuchungen mittels Elektronenmikroskopie zeigten, dass der Böhmit trotz seines polaren Charakters sehr gut dispergiert in Form von Nanoagglomeraten (200-500 nm) in der unpolaren Polypropylenmatrix vorlag. Die Verwendung von Phasenvermittler erbrachte keine weitere Verbesserung. Bei der Untersuchung der thermischen Eigenschaften konnte festgestellt werden, dass der Böhmit in der Lage ist, Polypropylen in der alpha-Modifikation zu nukleieren. Das Brandverhalten der Composites wurde mittels Cone-Kalorimetrie untersucht und zeigte gegenüber der reinen iPP-Probe eine verminderte Energieabgabe über einen verlängerten Zeitraum. In rheologischen Experimenten konnte bei den unmodifizierten Böhmiten erst ab einer Konzentration von 20 Gew.-% Perkolation beobachtet werden. Anhand eines Vergleichs der Nanoböhmite mit Mikroböhmiten konnte der Vorteil der Verwendung von Nanopartikeln gezeigt werden. Beim Einsatz von organophilen Böhmiten, deren Oberfläche mit 12 Gew.-% p-Alkylbenzylsulfonsäure (OS2) modifiziert wurde, konnten hohe Bruchdehnungen bei den Probenkörpern beobachtet werden. Mittels elektronenmikroskopischer Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass aufgrund der homogenen Verteilung der modifizierten Böhmitpartikel und der fehlenden Anbindung dieser an die iPP-Matrix, energiedissipierende Effekte wie Hohlraum- und Fibrillenbildung Ursache für diese hohe Deformierbarkeit waren. Bei der Untersuchung des Schmelz- und Kristallisationverhaltens wurde ein gegenteiliger Effekt der OS2-Nanocomposites im Vergleich zu den Nanocomposites mit unmodifizierten Böhmiten beobachtet. Im polarisierten Lichtmikroskop konnten im Vergleich zum reinen iPP weniger und viel größere Spherulithe beobachtet werden. Eine Auftragung der rheologischen Resultate im Van-Gurp-Plot ergab eine Perkolationsschwelle von < 2,5 Gew.-% für OS2-modifizierte Böhmite. Die Untersuchung von Nanocomposites auf der Basis von Böhmiten, deren Oberflächen mit unterschiedlichen Carbonsäuren (Hydroxystearinsäure, Undecensäure, Hydroxybenzoesäure, Essigsäure) modifiziert wurden, zeigten vergleichbare mechanische, rheologische und thermische Eigenschaften wie die Nanocomposites, welche mit unmodifizierten Böhmiten gefüllt wurden. Durch die Herstellung und Charakterisierung von iPP/Kautschuk-Blends auf der Basis unmodifizierter und OS2-modifizierter Böhmite konnten bei Verwendung von EPDM-Kautschuk enorme Steigerungen der Zähigkeit im Vergleich zum reinen, ungefüllten Blend erzielt werden. Mittels elektronenmikroskopischer Methoden konnten die für das verbesserte mechanische Verhalten verantwortlichen mikromechanischen Prozesse veranschaulicht und erklärt werden. Durch die Einarbeitung von Füllstoffhybriden wie Böhmit/Talk oder Böhmit/Hektorit gelang es, das Steifigkeit-Zähigkeit-Verhältnis von iPP/EPDM-Blends weiter zu verbessern.


Kurzfassung in Englisch

Novel polypropylene nanocomposites based on unmodified and organophilic modified boehmites with different crystallite sizes (10 to 60 nm) were prepared by meltcompounding using a corotating twinscrew extruder. The obtained nanocomposites were analyzed with respect to their mechanical, thermal and rheological properties as well as their morphology. The use of 10 wt.-% of unmodified boehmites led to a matrix reinforcement of approximately 30 % independent of the crystallite size whereas the Izod impact strength was only improved by using boehmites bigger than 50 nm. Although no compatibilizer was used, a very good dispersion of the polar boehmite filler in the nonpolar matrix was achieved. Within this context, the dependence of shape and geometry of the unmodified boehmite particles was investigated using needle like boehmites with higher aspect ratio and microboehmites. DSC measurements revealed a boehmite-induced nucleation of iPP in the alpha-modification which was proved by means of wide angle x-ray diffraction (WAXS). Investigations done by cone calorimetry showed a reduced heat release rate with respect to neat polypropylene. Despite of the proper dispersion, percolation of the unmodified boehmite nanoparticles measured by rheology primary occurred at concentrations higher than 10 wt.-%.
The use of boehmite nanoparticles modified with organic sulfonic acids (OS) afforded no matrix reinforcement but induced an increase of elongation at break. This enhancement was explained by strong energy-dissipating effects such as multiple voiding and the development of drawn matrix ligaments which were evidenced by SEM-images performed on drawn specimen. Due to the organic surface-modification a better dispersion of the nanoparticles with respect to the unmodified boehmites was obtained. The yield-properties of the nanocomposites were analyzed by means of rheology. In contrast to the unmodified boehmites, the OS-modified boehmites revealed percolation already at concentrations of 2.5 wt.-%. The investigation of thermal properties by means of DSC exhibited a decrease of crystallization temperature which could be associated with an “antinucleation” effect.
On the base of these results further organo-modified boehmites were investigated using different carboxylic acids as modification agents. The results obtained for these boehmites were similar to the unmodified boehmites.
Blendcomposites of iPP and different rubbers on the base of unmodified and OS-modified boehmites were produced and investigated. Due to the presence of the boehmite nanoparticles a strong increase of toughness of iPP/EPDM blends was achieved. This enhancement was explained with micromechanical processes analyzed by SEM. Filler hybrids composed of boehmites and talc were applied to compensate the stiffness-reduction of the rubber component.


SWD-Schlagwörter: Polypropylen , EPDM , Nanocomposites , Boehmite
Freie Schlagwörter (deutsch): Schmelzextrusion , Mechanische Eigenschaften , Rheologie, Polypropylen
Freie Schlagwörter (englisch): Meltcompounding , Nanocomposites , Boehmite , Rheology
Institut: Institut für Makromolekulare Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Mülhaupt, Rolf (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.10.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 09.12.2008
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