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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-73171
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7317/


Kurek, Alexander Gerhard

Maßgeschneiderte Polyethylen-Reaktorblends mit ultra-hochmolekularem Polyethylen: Steuerung von Materialeigenschaften und Nanostrukturbildung durch Coträgerung von (Post-)Metallocenen

Tailor-made polyethylene reactor blends containing ultra-high molecular weight polyethylene: control of material properties and formation of nanostructures via cosupporting of (post-)metallocenes

Dokument1.pdf (23.426 KB) (md5sum: 85402526661bacb5dd8078c10a4bff5a)

Kurzfassung in Deutsch

Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung neuartiger Hochleistungs-Polyethylen-Reaktorblends mit erhöhtem Anteil an ultra-hochmolekularem Polyethylen (UHMWPE, Mw > 10e6 g/mol) für Spritzguss, Folienextrusion und Blasformen. Dazu wurden durch Coträgerung von Metallocen- und Postmetallocen­kata­lysatoren sog. Nanohybridkata­lysatoren erzeugt, welche die Steuerung der Molmassenverteilung und gleichzeitig die Dispersion von nano­meterskaligem UHMWPE in der HDPE-Matrix ermöglichten. Im Gegensatz zur konventionellen Katalysator­trägerung kamen hier neben meso- bzw. makroporösen Nano­schaummaterialien auch hie­rarchisch strukturierte Nano­schaum/Schichtsilikat-Systeme zum Einsatz.
Die mittels dieser Nanohybridkatalysatoren erzeugten HDPE/UHMWPE-Blends zeichneten sich neben der guten Verarbeitbarkeit vor allem durch ihre herausragenden mechanischen Eigenschaften aus. So konnten sowohl Steifigkeit als auch Festigkeit von spritzgegossenen Probenkörpern mit steigendem UHWMPE-Gehalt signifikant verbessert werden, wobei bei einem Anteil von 20 wt.-% UHMWPE ein Maximum erreicht wurde. Die entsprechenden Eigenschaftsverbesserungen - angegeben im Vergleich zu reinem HDPE - betrugen dabei 270% für die Steifigkeit und 510% für die Festigkeit. Daneben nahm mit steigendem UHMWPE-Anteil auch die Abriebfestigkeit der Blendmaterialien zu, wobei die Probe mit 20 wt.-% UHMWPE hier eine Verbesserung um knapp 40% zeigte. Neben Spritzguss- und Sinterverfahren konnten diese sog. „all-polyethylene“-Blends über Zug- bzw. Blasverfahren zu stippenfreien Filmen und Flaschen verarbeitet werden. Mittels thermischer Analytik wurde gezeigt, dass die Blends aus zwei, über Cokristallite miteinander verbunden Phasen aufgebaut sind, nämlich einer HDPE- und einer UHMWPE-Phase. Die Freilegung der UHMWPE-Phase durch Extraktionsexperimente und ihre anschließenden SEM-Untersuchung brachten beim nativen Polymer eine plättchenförmige Nanostruktur zum Vorschein. An spritzgegossenen Proben konnten auf diese Weise sog. Shish-Kebab-Strukturen nachgewiesen werden, was die guten mechanischen Eigenschaften dieser Materialien erklärt. Neben der Erzeugung von bimodalen Molmassenverteilungen konnten unter Verwendung der Nanohybridkatalysatoren auch gezielt trimodale Polyethylenblends mit maßgeschneiderten Eigenschaften realisiert werden.
Zusammenfassend war es im Rahmen dieser Arbeit möglich, neuartige Hochleistungsthermoplasten herzustellen, die in Folge ihres enormen Entwicklungspotentials und Anwendungsspektrums auch für eine industrielle Nutzung von Interesse sein könnten.


Kurzfassung in Englisch

The aim of this thesis was the synthesis of novel high-performance polyethylene reactor blends containing an increased amount of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE, Mw > 10e6) for injection moulding, film extrusion, and blow moulding. For this purpose so-called nanohybrid catalysts were prepared by cosupporting of metallocene and post-metallocene catalysts. This method enabled the dispersion of nanometer-scaled UHMWPE in a matrix of HDPE. In contrast to conventional catalyst supporting materials, meso- and macroporous nanofoam materials as well as hierarchically structured nanofoam/clay systems were used.
The HDPE/UHMWPE-blends achieved via nanohybrid catalysis showed good processability and moreover had outstanding mechanical properties. By increasing the amount of UHMWPE the mechanical stiffness and strength of injection moulded samples was significantly improved, reaching a maximum at 20 wt.-% of UHMWPE. In comparison to the pure HDPE sample this improvement was 270% in terms of stiffness and 510% in terms of strength. Furthermore, the abrasion resistance was improved, reaching a value of nearly 40% for the sample containing 20 wt.-% of UHMWPE. In addition to injection and compression moulding, extrusion and blow moulding techniques were used to process these so-called „all-polyethylene“ blends to form films and bottles, which were free of flocks. Thermal investigation of these blend materials showed the existence of two phases (UHMWPE and HDPE) connected by cocrystallites. The exposure of the UHMWPE phase by means of extraction experiments followed by SEM investigation showed a platelet-like nanostructure. This technique was also applied to injection moulded reactor blends revealing so-called shish-kebab structures, which explain the outstanding mechanical properties of the samples.
In summary, novel high-performance thermoplastic materials with outstanding mechanical properties were prepared, which could be of great interest to the polyolefin industry.


SWD-Schlagwörter: Polymer-Blend , Polymere , Polyethylene , PE-UHMW , Katalyse , Nanostruktur
Freie Schlagwörter (deutsch): Reaktorblend , single-site Katalysator , Postmetallocen , Trägerkatalysator
Freie Schlagwörter (englisch): polymer , polyethylene , single-site catalyst , reactor blend , UHMWPE
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: 14.12.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 15.03.2010
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