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Veränderung der Verbundfestigkeit von Hart/Weich-Verbunden und die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Elastomeren durch eine Elektronenbestrahlung

Metten, Martin :
Veränderung der Verbundfestigkeit von Hart/Weich-Verbunden und die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Elastomeren durch eine Elektronenbestrahlung.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Veränderung der Verbundfestigkeit von Hart/Weich-Verbunden und die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Elastomeren durch eine Elektronenbestrahlung
Language: German
Abstract:

Kunststoffe sind aus thermodynamischen Gründen in der Regel nicht mischbar und bilden nur selten Verbunde. Ziel dieser Untersuchung war es, die Möglichkeit der Behandlung mit Elektronenstrahlen (b-Bestrahlung) zur Verbesserung der Verbundhaftung zwischen Kunststoffen, insbesondere von Hart-Weich-Verbunden im 2K-Bauteil, zu analysieren. Die Folgen einer besseren Haftung sind ein vereinfachter Werkzeugbau, da aufwendige Hinterschneidungen entfallen, und die grundsätzliche Realisierung einiger Verbunde von Materialien, die bisher keinen Verbund bildeten. Für die Verbundversuche wurden ein ABS und PA66 als Hartphase bzw. TPE auf Urethan-, Styrol-, Ester- und Amidbasis, sowie ein PP/EPDM-Blend (TPE-V) für die Weichphase verwendet. Um thermodynamische Unverträglichkeiten zu vermeiden, wurden im ersten Schritt Hart/Hart-Verbunde aus gleichen Materialkomponenten gefertigt. Gute Ergebnisse konnten für Kombinationen unpolarer Thermoplaste (Polyolefine) erzielt werden. Diese erreichten Verbundfestigkeiten nahezu im Bereich der Einzelmaterialien. Polare Thermoplaste (ABS, PA66) können zwar hohe Werte im 2K-Verbund erzielen, weisen jedoch deutliche Differenzen zur Zugfestigkeit der konventionellen 1K-Schulterprobe auf. Im Hart/Weich-Verbund erreichten die unpolaren olefinischen Materialien (PP/TPE-V) im unbestrahlten Zustand bereits eine Verbundfestigkeit von 5,1 MPa, während die polare Kombination von PA66 mit TPE-U nur Werte um 2 MPa erreichte. Dies kann auf die mangelnde Bewegungsfähigkeit der Kettensegmente der TPE-Blockcopolymere und auf die polaren Eigenschaften der beteiligten Kunststoffe zurückzuführen sein, die eine gegenseitige Durchdringung und Verschlaufung auf molekularer Ebene in der Grenzschicht des Verbundes verhindern. Eine Bestrahlung führte hier stets zu einer Verringerung der Verbundfestigkeit. Eine deutliche Steigerung der Verbundfestigkeit um bis zu 228 % konnte bei einer Kombination von PA66 mit verschiedenen TPE-Urethan-Typen durch die Bestrahlung und Variation der Massetemperatur nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich trotz der starken Ähnlichkeit zweier TPE-U-Typen ein gegenläufiger Effekt bei der Verbundfestigkeit. Da die Oberflächenenergien aller beteiligten Materialien nahezu identisch waren, versagte hier, im Gegensatz zu anderen Untersuchungen, dieses Kriterium zur Begründung dieses Verhaltens. Die Zugabe der Vernetzungshilfe TAIC führte hier zu einer Schwächung der Verbunde. Es wird angenommen, dass dieser Stoff an die Bauteiloberfläche diffundiert und durch eine Flimbildung einen innigen Kontakt mit dem anschließend aufgespritzten TPE verhindert. Im letzten Abschnitt dieser Untersuchung wurde das Spannungs-Dehnungsverhalten der TPE nach einer Bestrahlung analysiert. Es zeigte für alle TPE ein bestrahlungsunabhängiges Verhalten bei Dehnungen unter 100 %. Für größere Dehnungen wurden deutliche Unterschiede zwischen den Materialien bezüglich des Bestrahlungseinflusses festgestellt. Die Unempfindlichkeit der TPE bei Dehnungen unterhalb von 100 % gegenüber einer Bestrahlung bedeutet für die Struktursimulation von Bauteilen mit TPE-Elementen, dass bei zu erwartenden kleinen Dehnungen bei der Bestimmung der Werkstoffparameter für die Materialgesetze (z.B. nach Mooney-Rivlin oder Ogden) der Bestrahlungseffekt vernachläßigt werden kann.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Because of thermodynamical reasons most polymers aren't miscible and therefore dont tend to form composites. The main aspect of this thesis was to investigate the possibility to improve the adhesion between different polymers in a composite, especially of hard/soft-combinations, by a treatment with an electron beam. In cases of a good adhesion the mold construction can be simplified and several materialcombinations will be possible. For this investigation an ABS-resin and a PA 66 had been used for the hard elements and some thermoplastic elastomers based on urethane-, styrene-, ester- and amide-containing elements and an PP/EPDM-blend (TPE-V) had been choosen for the soft elements. In the first step hard/hard-combinations from the same polymere were molded to avoid thermodynamical incompatiblity . Best results were determined with a combination of non-polar thermoplastics (polyolefines). The bond strength of the compound is similar to their values of the pure materials. Polar thermoplastics (ABS, PA66) reached high values, but had a significant difference to the tensile strength of the 1K-dumbbel test specimen. Test with the non-polar olefinic materials in an hard/soft-compound lead to an tensile strength of 5,1 MPa (non-irradiated). A combination of PA66 with an TPE-U showed a tensile strength of 2 MPa. The reasons for this difference could be the lower flexibility of the chain segments of the TPE-blockcopolymers and the polar character of the combined materials that prevent a penetration and entanglement of chain segments. Here an irradiation always lead to a weakening of the compound strength. A significant improvement of the tensile strength (about 228 %) had been proved with an irradiation and variation of the melt temperature of an PA66 and TPE-U combination. Experiments with two lightly different TPE-U showed a contrary effect on the bond strength. Because of their similar values of the surface energy, this criterion failed in this case for an explanation. The addition of the crosslinking agent TAIC lead to weakening of the compound. A possible reason for this behaviour, is the diffusion of this agent onto the surface. This prevents a close contact of the two polymers. The stress-strain analysis indicated an independent behaviour from irradiation for a strain below 100 %. In cases of a higher strain a different result depending on the material were obtained concering the irradiation dose. This means for a strain smaller than 100 % the material constants (like Mooney-Rivlin or Ogden) for the FEM simulations can be determined without the influence of the irradiation.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000266
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2669
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Berger, Prof. Dr.- C. and Rehahn, Prof. Dr. M.
Advisors: Berger, Prof. Dr.- C.
Refereed: 8 May 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/266
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