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© Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 8 (2012) 4 eingereicht/handed in: 28.09.2011 angenommen/accepted: 19.03.2012 Dipl.-Ing. Stefan Littek 1 , M. Sc. Martin Schneider 2 , Prof. Dr. Klaus Huber 2 , Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner 1 1 Institut für Polymere Materialien und Prozesse, Universität Paderborn 2 Physikalische Chemie, Universität Paderborn Messung zum Materialabbau von Polypropylen Die Extrusion ist der am häufigsten verwendete Prozess zur Verarbeitung von Polymeren. Die hohen Scherraten und Temperaturen, die während der Extrusion auf das Polymer einwirken, verursachen thermo-mechanische Abbauprozesse. Mit Hilfe eines speziellen Untersuchungsaufbaus wurde Polypropylen (PP) mit einer definierten Schergeschwindigkeit ( ߛሶሻ und Verweilzeit (t v ) bei konstanter Temperatur belastet. Die entnommenen Materialproben wurden durch die Gelperme- ationschromatographie (GPC) analysiert und ausgewertet. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen vorgestellt und diskutiert. Measurement of the degradation of polyproy- lene Extrusion is the most used process for processing polymers. The high levels of shear and heat to which the polymer is exposed during extrusion cause thermo-mechanical degradation. By using a special experimental assembly the polypropylene (PP) was stressed with defined temperature (T), shear rate ( ߛሶሻ and residence time (t v ). All samples taken were analyzed and collected by using the gel permeation chromatography (GPC). In this paper the experimental results are presented and dis- cussed. Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.

Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology · Polymer für die experimentellen Untersuchungen ausgewählt. Bei den experi- Bei den experi- mentellen Untersuchungen

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Page 1: Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology · Polymer für die experimentellen Untersuchungen ausgewählt. Bei den experi- Bei den experi- mentellen Untersuchungen

© Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 8 (2012) 4

eingereicht/handed in: 28.09.2011 angenommen/accepted: 19.03.2012

Dipl.-Ing. Stefan Littek 1, M. Sc. Martin Schneider 2, Prof. Dr. Klaus Huber 2,

Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner 1 1 Institut für Polymere Materialien und Prozesse, Universität Paderborn 2 Physikalische Chemie, Universität Paderborn

Messung zum Materialabbau von Polypropylen Die Extrusion ist der am häufigsten verwendete Prozess zur Verarbeitung von Polymeren. Die hohen Scherraten und Temperaturen, die während der Extrusion auf das Polymer einwirken, verursachen thermo-mechanische Abbauprozesse. Mit Hilfe eines speziellen Untersuchungsaufbaus wurde Polypropylen (PP) mit einer definierten Schergeschwindigkeit ( und Verweilzeit (tv) bei konstanter Temperatur belastet. Die entnommenen Materialproben wurden durch die Gelperme-ationschromatographie (GPC) analysiert und ausgewertet. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen vorgestellt und diskutiert.

Measurement of the degradation of polyproy-lene Extrusion is the most used process for processing polymers. The high levels of shear and heat to which the polymer is exposed during extrusion cause thermo-mechanical degradation. By using a special experimental assembly the polypropylene (PP) was stressed with defined temperature (T), shear rate ( and residence time (tv). All samples taken were analyzed and collected by using the gel permeation chromatography (GPC). In this paper the experimental results are presented and dis-cussed.

Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com

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Littek, Schöppner et al. Messung zum Materialabbau von Polypropylen

Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 416

Messung zum Materialabbau von Polypropylen

S. Littek, M. Schneider, K. Huber, V. Schöppner

1 EINLEITUNG

Die Extrusion ist der am häufigsten verwendete Prozess zur Verarbeitung von Polymeren, dem Mischen oder der Additivierung (Compoundierung) [1-3]. Dabei ist die Entwicklung im Bereich der Einschneckenextrusion bemüht, die Wirt-schaftlichkeit von Schneckenmaschinen bei gleichbleibender Schmelzequalität zu steigern [4]. Eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit kann u. a. durch eine Er-höhung der Drehzahl bei gleichbleibendem Schneckendurchmesser und Ma-schinengröße erreicht werden [5].

Die hohen Scherraten und Temperaturen, die während der Extrusion auf das Polymer einwirken, verursachen thermo-mechanische Abbauprozesse [3]. Die Abbaumechanismen sind je nach Polymer unterschiedlich und die folgenden Reaktionen können einzeln, nacheinander oder parallel ablaufen:

Kettentrennung (Abbau), Kettenaufbau (Nachpolymerisation), Vernetzung oder Verzweigung.

Die Abbaureaktionen bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen beruhen auf:

Thermische Einwirkung [6,7], Oxidative Einwirkung [6,7], Wasseranwesenheit (hydrolytischer Abbau) [6], Einwirkzeit [7,8], Scherung [9].

Durch die oben genannten Belastungen veränderen sich die Molekülmasse und/oder die Molekülmasseverteilung des Polymers gegenüber der ursprüngli-chen Verteilung des Roh-Materials. Im Allgemeinen findet bei Polypropylen der Materialabbau durch Kettenspaltung statt, wodurch die Verteilungskurve hin zu einem niedrigeren Molekulargewicht tendiert [10]. Bei thermischer Überbean-spruchung erfolgt der Kettenbruch und es bilden sich Radikale. Unter Abspal-tung niedermolekularer Bestandteile und durch Radikalübertragung reagieren die Radikale weiter [6].

Der Abbau von isotaktischem Polypropylen wurde an vielen Forschungsstellen untersucht. Huang und Xua [11] untersuchten das Abbauverhalten von PP bei der Verarbeitung auf einem Hochdruckkapillarrheometer (HKR). Die belasteten Proben wurden mit Hilfe der Schmelzefließrate (Melt Flow Rate = MFR) charak-terisiert. Es stellte sich heraus, dass die Zylindertemperatur und die Verweilzeit den größten Einfluss auf einen ansteigenden MFR-Wert nehmen. Hingegen

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zeigt die Erhöhung der Scherrate geringe Einflüsse. Kompaniets et al. [12] un-tersuchten den Abbau von PP mit Hilfe einer Druckzelle vom Typ Bridgman. Es wurde gezeigt, dass die Aufschmelztemperatur mit Abnahme der Molekülmasse sinkt. Weiterhin wurde die Abnahme der Molekülmasse bei Erhöhung der Scherdeformation herausgearbeitet. Von Capone et al. [13] wurde das Abbau-verhalten von Polystyrol (PS) und Polymethylmethacrylat (PMMA) unter thermo-mechanischen Belastungen untersucht. Unter anderem wurde festgestellt, dass bei den höchsten Schergeschwindigkeiten im Extruder der kleinste Abbau statt-findet. Diese Erkenntnis wurde mit der kurzen Verweilzeit in der Maschine und möglichen Wandgleiteffekten begründet. Die Degradation von PP unter der Verwendung von Peroxid bei der Verarbeitung auf der Doppelschneckenma-schine wurde von Bruno et al. [14] untersucht. Dabei wurde ein Homopolymer PP und Copolymer PP/PE (Polyethylen) mit unterschiedlich hohen Anteilen an Peroxid auf zwei unterschiedlichen Doppelschneckenextrudern verarbeitet und anschließend durch die GPC ausgewertet. Für eine konstante Schneckendreh-zahl ist der Materialabbau für den kleinsten Massedurchsatz aufgrund der höhe-ren Verweilzeit am größten. Mit steigender Schneckendrehzahl bei gleichem Durchsatz verringert sich die Verweilzeit, allerdings erhöhen sich die Masse-temperatur durch den höheren Energieeintrag und damit der Materialabbau. Tzoganakis et al. [15] untersuchten den Abbau von Polypropylen unter Verwen-dung von Peroxid auf dem Einschneckenextruder. Dabei wurde gezeigt, dass der Anteil von Peroxid Einfluss auf die Molekülmasse und die Polydispersität nimmt. Die Folgen des Materialabbaus nehmen Einfluss auf die Fließeigen-schaften und erzeugen damit negative Änderungen in den mechanischen Ei-genschaften. Canevarolo et al. [16, 17] untersuchten das Abbauverhalten von Polypropylen für unterschiedliche Schneckenkonfigurationen auf dem Doppel-schneckenextruder bei mehreren Extrusionsdurchläufen. Mit steigender Anzahl an Extrusionsdurchläufen nimmt der Materialabbau zu. Eine Schneckenkonfigu-ration aus Förder- und Knetblockelementen schädigt das Polymer stärker als eine Schnecke bestehend aus reinen Förderelementen. Costa et al. [18] unter-suchten das Abbauverhalten von Polypropylen bei mehrfachen Extrusionszyklen auf dem Einschneckenextruder. Dabei wurde der Materialab-bau durch thermische Analysen, und die Bestimmung von mechanischen Kennwerten durchgeführt. Mit der Zunahme an Extrusionsdurchläufen und stei-gender Schmelzetemperatur erhöhte sich der Abbau und war für hohe Scher-geschwindigkeiten am größten.

Diese Aussagen sind im Allgemeinen beschreibender Natur und nur einem konkreten Verarbeitungsfall zuzuordnen. Die Betrachtung des Einflusses von Schneckengeometrien und die Variation der Prozessparameter ist in diesem Zusammenhang bislang nicht allgemein gültig mit einbezogen worden. Um ein physikalisch-mathematisches Modell herzuleiten, welches den Abbau im Extrusionsprozess beschreibt, ist die Parametrisierung der einflussnehmenden Prozessgrößen notwendig. Für diese Arbeit wurden die Einflussgrößen Masse-temperatur, Verweilzeit und Schergeschwindigkeit berücksichtigt. Zur Vereinfa-chung wurde der Einfluss des Drucks auf den Molekülmasseverlust für diese Untersuchungen ausgegrenzt. Dadurch, dass bei Polypropylen lediglich eine

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radikalische Kettentrennung als Abbaumechanismus auftritt, wurde dieses Polymer für die experimentellen Untersuchungen ausgewählt. Bei den experi-mentellen Untersuchungen war es wichtig, dass jeder einzelne der drei Para-meter analysiert wurde. Da es im Extruder u. a. zu Überlagerungen der Para-meter Schergeschwindigkeit, Temperatur und Verweilzeit kommt, wurde auf ein selbstentworfenes Gerät zurückgegriffen.

2 EXPERIMENTELLER TEIL

2.1 Untersuchungsaufbau

Um den Abbau in Abhängigkeit der oben erwähnten Prozessparameter (Tem-peratur, Verweilzeit, Schergeschwindigkeit) durchzuführen, wurde mit einem selbstentworfenen Zylindersystem gearbeitet. Kommerzielle Systeme, wie bei-spielsweise das Kegel-Platte- oder ein koaxiales Rotations-Rheometer, können aufgrund der geforderten hohen Schergeschwindigkeiten nicht verwendet wer-den. Beim Kegel-Platte-Rheometer ergibt sich aus der Umfangsgeschwindigkeit die Schergeschwindigkeit, welche über den Spalt konstant verläuft. Allerdings tritt bei hohen Schergeschwindigkeiten und hoher Verweilzeit das Polymer aus dem Spalt zwischen Kegel und Platte aus [16]. In Bild 1 ist eine Skizze des verwendeten Zylindersystems dargestellt. Dieses Zylindersystem arbeitet nach dem Prinzip eines koaxialen Rheometers vom Typ Searle. Im Spalt zwischen innerem und äußeren Zylinder wird dem Polymer durch die Drehbewegung des inneren Zylinders Energie zugeführt. In Bild 1 sind die Maße des Zylindersys-tems in Millimeter angegeben.

Der Aufbau besteht aus einem becherförmigen Zylinder, welcher mit wendel-förmigen Heizkanälen versehen ist, und einem zweiten Zylinder, der mit der Fräsmaschine verbunden ist. Weiterhin ist der Aufbau mit drei Thermoelemen-ten (Typ J, Ø 2 mm) zur Messung der Massetemperatur bestückt. Gegen das Austreten von Polymerschmelze aus dem Zylindersystem während eines Untersuchungspunktes wird ein Deckel montiert. Der äußere Zylinder ist auf einer massiven, hitzebeständigen Polytetrafluorethylen-Platte (PTFE) fixiert, die als Isolationsschicht dient. Die PTFE-Platte ist wiederum auf dem Arbeitstisch der Fräsmaschine montiert. Der äußere Zylinder wird mit einem Thermoöl tem-periert, welches durch wendelförmige Kanäle fließt und mit einem Heiz-Kühl-Gerät beheizt und gefördert wird. Der innere Zylinder, welcher durch die Fräs-maschine angetrieben wird, wird vor jedem Untersuchungspunkt durch Heiz-bänder auf die entsprechende Massetemperatur gebracht. Kurz vor jeden Untersuchungspunkt werden die Heizbänder entfernt und der innere Zylinder in die Polymerschmelze abgesenkt.

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Bild 1: Skizze des Zylindersystems

Die Vorgehensweise ist für jeden Untersuchungspunkt dieselbe und wird im Folgenden beschrieben. Der innere Zylinder wird durch ein Heizband auf die entsprechende Temperatur beheizt. Sobald die Massetemperatur im äußeren Zylinder erreicht ist, wird eine definierte Menge (90 g) des granulatförmigen Polymers in den äußeren Zylinder gefüllt, Bild 2 (1). Da der innere Zylinder erst in das aufgeschmolzene Polymer abgesenkt werden kann, erfolgt das Auf-schmelzen des Polymers rein thermisch. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfä-higkeitseigenschaften von Thermoplasten ist das rein thermische Aufschmelzen mit einer mehrminütigen Verweilzeit behaftet. Um diese Aufschmelzzeit so kurz wie möglich zu halten, wird das Polymer an die beheizte Zylinderwand des äu-ßeren Zylinders gedrückt, wo es aufschmilzt, Bild 2, (2). Sobald das Polymer aufgeschmolzen ist und die Massetemperatur erreicht ist, wird die Schmelze zum Boden des äußeren Zylinders gedrückt und das Heizband des inneren Zy-linders entfernt, Bild 2 (3). Durch das Eintauchen des inneren Zylinders wird das Polymer in den Spalt gedrückt, Luft kann entweichen und überschüssige

wendelförmige

Heizkanäle

Deckel

PTFE-Platte

Polymerschmelze

Thermoelemente

äußerer Zylinder

innerer Zylinder

Verbindung zur Fräsmaschine

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Schmelze kann entfernt werden, Bild 2, (4). Anschließend wird der Deckel mon-tiert und der Spalt zwischen Deckel und inneren Zylinder auf wenige Zehntel Millimeter eingestellt, Bild 2, (5). Die Fräsmaschine wird für die gewünschte Verweilzeit eingeschaltet, und der innere Zylinder rotiert bei der vorher festge-legten Drehzahl. Nach dem Abschalten der Fräsmaschine wird der Deckel ent-fernt, der innere Zylinder zurückgesetzt und eine Materialprobe immer an der-selben Stelle am inneren Zylinder für nachfolgende Analysen entnommen. Alle Experimente wurden bei Atmosphärendruck durchgeführt. Bei der Probenentnahme wurden keine Luftblasen in der Schmelze festgestellt.

Bild 2: Ablaufschema zur Belastung der Materialproben

Feststoff-Schmelze

Schmelze

Thermofühler

Heizband

Deckel

Messingstab

Thermoelemente

(1) (2)

(4)

(3)

(5)

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2.2 GPC-Analyse

Das Prinzip dieser Chromatographie ist die Trennung von Polymermolekülen aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe bzw. deren hydrodynamischen Volu-mens. Die Daten der GPC liefern die Molekülmasseverteilungen einer Polymerprobe. Diese Verteilung lässt sich durch die nachfolgend angegebenen Größen charakterisieren. Das Zahlenmittel Mn ist durch Gleichung 1 gegeben. Dabei sind Ni die Anzahl der Moleküle in der Fraktion i und Mi die Molmasse der jeweiligen Fraktion i.

∑ ∗∑

Gleichung 1

Das Gewichtsmittel Mw wird durch Gleichung 2 beschrieben.

∑ ∗∑ ∗

Gleichung 2

Die Polydispersität (PD) ist ein Maß für die Breite der Molekülmasseverteilung und ist der Quotient aus Zahlen- und Gewichtsmittel, Gleichung 3. Die Polydispersität ist immer größer oder gleich eins. Je größer der PD-Wert ist, desto breiter ist die Verteilung [19].

Gleichung 3

2.3 Bestimmung der Molekülmasse

Die Molekülmasseverteilungen wurden mittels der GPC der Firma GPC Sys-tems Alliance 2000 ermittelt. Es handelt sich dabei um eine sog. Hochtempera-tur-GPC (SEC = Size-exclusion chromatography) und ist mit einem Brechungs-index-detektor und einem Viskositätsdetektor gekoppelt. Zur Eichung wurden 8 verschiedene eng verteilte Polystryrol-Standards der Firma PSS Polymer Stan-dards Service bei 155 °C verwendet. Als interner Standard wurde auf Butylhydroxytoluol (BHT auch: 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol) bei jeder Mes-sung kalibriert. Unter Verwendung der universellen Eichbeziehung wurde die Molekülmasseverteilung der untersuchten Proben ermittelt. Aus der zahlenge-mittelten und der gewichtsgemittelten Molekülmasse wurde die Polydispersität berechnet. Als Eluent wurde 1,2,4-Trichlorbenzol (TCB) verwendet und eine dreistufige Säulenanordnung mit mittleren Porenweiten von 106, 105, 103 ein-gesetzt. Dadurch ist es möglich, technische Polymere mit einer breiten Mole-külmasseverteilung zu analysieren. Das Injektionsvolumen des Polymers betrug 220 µl, das Messintervall ist auf eine Zeit von 0,5 s gesetzt worden, und es wurde eine Messtemperatur von 155 °C eingestellt. Das PP wurde innerhalb von zwei Stunden bei 155 °C in TCB unter der Verwendung von BHT gelöst.

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Die Überprüfung der Reproduzierbarkeit der GPC-Anlage wurde anhand der Messung von vier PP Materialproben durchgeführt. Bei den Materialproben handelte es sich um das Roh-PP einer Charge. Dabei konnte von sehr ähnlich verteilten Molekülmassen ausgegangen werden. Die Auswertung der GPC-Analyse ergab eine Standardabweichung von 9 % bezogen auf den Mittelwert der vier Messungen, Tabelle 1.

Tabelle 1: Überprüfung der Reproduzierbarkeit der GPC-Anlage

Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit der GPC-Anlage wurde anschließend die Validierung des Zylindersystems durchgeführt und überprüft wie präzise die Belastung des Materials erfolgt.

2.4 Validierung des Zylindersystems

Die Validierung des Messgerätes wurde anhand der Messung von fünf Materi-alproben eines Untersuchungspunktes und durch die nachfolgende GPC-Analyse durchgeführt. Dabei beträgt die Schergeschwindigkeit 1005 s-1, die Massetemperatur 230 °C und die Verweilzeit 15 s. Die rein thermische Auf-schmelzzeit des PP beträgt für alle fünf Messpunkte 11 Minuten. Für eine GPC-Messung wird eine gewisse Menge an Polymer benötigt. Von daher wurden keine Messpunkte, sondern Messbereiche festgelegt, um ausreichend Material entnehmen zu können. Der innere Zylinder, Bild 3, links, wurde in drei Bereiche unterteilt, in denen über die gesamte Umfangslänge mit einem Spatel Polymer für die GPC-Analyse entnommen wurde. In Bild 3, rechts, ist der äußere Zylin-der samt den beiden Entnahmebereichen dargestellt. Zusätzlich ist der innere Zylinder, wie er während eines Untersuchungspunktes positioniert wäre, gestri-chelt eingezeichnet.

1 2 3 4

M [g/mol] 133000 111000 138000 127000

Mittelwert [g/mol]

Standardabweichung [%]

Probe

127250

9,2

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Innerer Zylinder Äußerer Zylinder

Bild 3: Entnahmebereiche am inneren (links) und äußeren (rechts) Zylinder

In Bild 4 sind die Molekülmasseverteilungen der Untersuchungspunkte für die jeweiligen Entnahmebereiche (Bereich A-E) dargestellt. Dabei ist auf der y-Achse (Häufigkeit) die normierte Molekülmasse je Klasse aufgetragen. Die Mo-lekülmasseverteilungen sind in logarithmierten Klassen fraktioniert und in einer logarithmischen Skala aufgetragen. Bei der Betrachtung der einzelnen Vertei-lungen zeigt sich, dass eine logarithmische Normalverteilung vorliegt. Bei Be-trachtung der Diagramme (6) und (9), welche die oberen Randbereiche des in-neren (Bereich A) und des äußeren Zylinders (Bereich D) darstellen, ist eine gewisse Abweichung unter den einzelnen Molekülmasseverteilungen zu erken-nen. Die Molekülmasseverteilungen der Bereiche C und E zeigen eine geringe-re Abweichung. Der mittige Entnahmebereich am inneren Zylinder (Bereich B) zeigt die geringste Abweichung der Molekülmasseverteilungen.

Bereich B

Bereich A

Bereich C

Bereich D

Bereich E

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0,8

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(6) Bereich A

Häu

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it [-

]

log Molekülmasse [g/mol]

103 104 105 106 107

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

(8) Bereich C

Häu

figke

it [-

]

log Molekülmasse [g/mol]

Bild 4 Molekülmasseverteilungen der einzelnen Entnahmebereiche

(6) Bereich A (7) Bereich B (8) Bereich C

(9) Bereich D (10) Bereich E

Bei der Auswertung des Zahlenmittels der Molekülmasse (Mn) wird ebenfalls deutlich, dass der Entnahmebereich B (mittig, innerer Zylinder) die geringste Standardabweichung (ca. 5 % bezogen auf den arithmetischen Mittelwert aus den fünf Proben, Tabelle 2) vorweist.

103 104 105 106 107

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

(7) Bereich B

Häu

figke

it [-

]

log Molekülmasse [g/mol]

103 104 105 106 107

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

(9) Bereich D H

äufig

keit

[-]

log Molekülmasse [g/mol]

103 104 105 106 107

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

(10) Bereich E

Häu

figke

it [-

]

log Molekülmasse [g/mol]

U: g_pkt = 1005 s-1

T = 230 °C t

v = 15 s

U1 U2 U3 U4 U5

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Tabelle 2: Zahlenmittel der Molekülmasse Mn der einzelnen Bereiche

Zur weiteren Überprüfung des Zylindersystems wurden für einen Untersu-chungspunkt mit hoher Materialbelastung ( = 1340 s-1; T = 230 °C, tv = 60 s) und mit geringer Materialbelastung (γ= 670 s-1; T = 230 °C, tv = 3 s) jeweils zwei Materialproben mittig am inneren Zylinder entnommen und analysiert, Bild 3, Bereich B. Die Ergebnisse der GPC-Analyse sind in Bild 5 dargestellt.

(11) = 1340 s-1; T = 230 °C, tv = 60 s

(12) = 670 s-1; T = 230 °C, tv = 3 s

Bild 5: Gegenüberstellung von zwei Messungen für unterschiedliche Unter-suchungspunkte

(11) = 1340 s-1; T = 230 °C, tv = 60 s

(12) = 670 s-1; T = 230 °C, tv = 3 s

Der Entnahmebereich B (mittig am inneren Zylinder) liegt mit einer Standard-abweichung von 5 % in den Grenzen der Standardabweichung der GPC-Anlage (9 %), wodurch gezeigt wird, dass mit dem Zylindersystem reproduzierbare Ma-terialbelastungen generiert werden. Die Standardabweichung des Entnahmebereichs B müsste rein rechnerisch über 9 % liegen, dennoch wird gezeigt das die Probenentnahme zu keinem schlechteren Ergebnis führt. Wei-

A B C D EU 1 74400 86000 63700 86200 88800U 2 59100 80400 77300 65300 91300U 3 87400 87900 73800 61200 67900U 4 89900 84400 93800 78500 102000U 5 99700 77100 98300 84700 113000

U_mittel [g/mol] 82100 83160 81380 75180 92600Standardabweichung [%] 19,13 5,26 17,67 15,11 18,16

Bereich [g/mol]

1 20

25000

50000

75000

100000

Materialprobe 1 Materialprobe 2

Messung [-]

Mo

lekü

lma

sse

[g/m

ol]

1 20

25000

50000

75000

100000

Materialprobe 1 Materialprobe 2

Messung [-]

Mol

ekül

mas

se [g

/mol

]

© 2

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 426

terhin wird bei Betrachtung der Ergebnisse aus Bild 5 deutlich, dass mit dem Zylindersystem definierte Materialbelastungen erzeugt werden.

2.5 Verwendetes Material

Die physikalischen Polymereigenschaften des untersuchten PP der Firma Sabic IP sind in Tabelle 3 aufgeführt. Weiterhin sind das mittlere Gewichtsmittel und Zahlenmittel der Molekülmasse des Roh-Polymers eingetragen.

Eigenschaften Wert

Dichte (g/cm3) (ISO 1183) 0,905

Melt Flow Rate (MFR) (ISO 1133, 230 °C, 2,16 kg in [g/ 10 min])

Gewichtsmittel der Molmasse Mw (g/mol)

Zahlenmittel der Molmasse Mn (g/mol)

47

455000

127000

Tabelle 3: Physikalische Eigenschaften des Polypropylens

In Bild 6 ist das Fließverhalten des PP dargestellt. Die Messdaten wurden mit einem Hochdruckkapillarrheometer „HKR 2000“ der Firma Göttfert gemessen. Dabei ist die Viskosität über die Schergeschwindigkeit doppellogarithmisch für eine Prüftemperatur von 210, 230 und 250 °C aufgetragen. Die Nullviskosität beträgt für 230 °C ungefähr 250 Pa*s.

Bild 6: Fließkurve des PP für unterschiedliche Temperaturen

1 10 100 1000 100001

10

100

1000

210 °C 230 °C 250 °C

Vis

kosi

tät [

Pa*

s]

Schergeschwindigkeit [s-1]

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 427

2.6 Untersuchungsplan

In Tabelle 4 sind die variierten Prozessparameter dargestellt. Das PP wurde unter Kombination von vier Schergeschwindigkeiten und vier Verweilzeiten bei konstanter Temperatur belastet. Die Schergeschwindigkeit wurde jeweils um die Ausgangsschergeschwindigkeit erhöht und die Verweilzeit in einem breiten Bereich variiert.

Schergeschwindigkeit [s-1] 335 670 1005 1340

Temperatur [°C] 230

Verweilzeit [s] 3 15 30 60

Tabelle 4: Experimenteller Untersuchungsplan

2.7 ERGEBNISSE UND DISKUSSION

In Bild 7 sind die Molekülmasseverteilungen für das unbelastete Roh-PP und für die rein thermisch aufgeschmolzene PP-Probe bei 230 °C gegenübergestellt. Durch den mehrminütigen Aufschmelzvorgang (11 min bei 230 °C) des PP hat sich die Verteilungskurve der 230 °C-Probe von dem ursprünglichen hohen Ni-veau des Roh-PPs, hin zu einem niedrigerem Niveau verschoben.

Bild 7: Molekülmasseverteilung des Roh-PP (schwarz) und bei 230 °C (blau)

103 104 105 106 107

0,0

0,5

1,0

PP unbelastet M

n: 127000 g/mol

Mw: 455000 g/mol

PD: 3,56 PP 230 °C; T

Auf: 11 min

Mn: 85300 g/mol

Mw: 239000 g/mol

PD: 2,80

Häu

figke

it [-

]

log Molekülmasse [g/mol]

© 2

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 428

In Bild 8 sind vier Diagramme gezeigt, in denen jeweils die Molekülmassevertei-lungen für verschiedene Verweilzeiten bei konstanten Schergeschwindigkeiten aufgetragen sind. Alle Verteilungen beziehen sich auf eine Massetemperatur von 230 °C. In jedem Diagramm sind die Verteilungen des Ausgangsmaterials (schwarz, Mn 127000 g/mol und Mw 455000 g/mol) und die Verteilungskurve des rein aufgeschmolzenen PPs (blau, Mn 85300 g/mol und Mw 239000 g/mol) aufgetragen. Für alle folgenden Diagramme werden dieselben Farben verwen-det. Dabei ist die steigende Belastung durch die Farben grün, hellblau, orange und rot strukturiert.

Bild 8: Molekülmasseverteilungen für eine konstante Temperatur (230 °C) und Schergeschwindigkeit bei unterschiedlichen Verweilzeiten a) Schergeschwindigkeit = 335 s-1 b) Schergeschwindigkeit = 670 s-1 c) Schergeschwindigkeit = 1005 s-1 d) Schergeschwindigkeit = 1340 s-1

unbelastet tv = 3 s t

v = 30 s

aufgeschmolzen tv = 15 s t

v = 60 s T = 230 °C

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

b) gpkt

= 670 s-1

Häu

figke

it [-

]

log Molekulargewicht [g/mol]

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

d) gpkt

= 1340 s-1

Häu

figke

it [-

]

log Molekulargewicht [g/mol]

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

a) gpkt

= 335 s-1

Häu

figke

it [-

]

log Molekulargewicht [g/mol]

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

c) gpkt

= 1005 s-1

Häu

figke

it [-

]

log Molekulargewicht [g/mol]

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 429

In den Diagrammen a) und b) liegen die Verteilungen der Molekülmassen bis zu einer Verweilzeit von 30 s und Schergeschwindigkeiten von 335 bzw. 670 s-1 recht eng beieinander. Für eine Verweilzeit von 60 s hingegen verschiebt sich die Verteilungskurve zu niedrigeren Werten (rote Verteilung). In den Diagram-men c) und d) beziehen sich die Molekülmasseverteilungen auf Scherge-schwindigkeiten von 1005 und 1340 s-1. Dabei nimmt der Abbau bereits bei ei-ner Verweilzeit von 30 s deutlich zu, wodurch bestätigt wird, dass der Polymerabbau u. a. von der Verweilzeit und der Größe der Schergeschwindig-keit abhängt [9]. Insgesamt ist zu erkennen, dass ein höherer Materialabbau durch eine steigende Schergeschwindigkeit und höhere Verweilzeit eintritt. Al-lerdings ist ein Zuwachs des Materialabbaus erst ab einer gewissen Verweilzeit und Scherbelastung zu verzeichnen.

Bild 9: Molekülmasseverteilungen für eine konstante Temperatur (230 °C) und konstante Verweilzeiten bei variierender Schergeschwindigkeit

e) Verweilzeit = 3 s f) Verweilzeit = 15 s g) Verweilzeit = 30 s h) Verweilzeit = 60 s

unbelastet gpkt

= 335 s-1 gpkt

= 1005 s-1

aufgeschmolzen gpkt

= 670 s-1 gpkt

= 1340 s-1 T = 230 °C

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0e) t

v = 3 s

ufig

keit

[-]

log Molekulargewicht [g/mol]

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

f) tv = 15 s

ufig

keit

[-]

log Molekulargewicht [g/mol]

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

g) tv = 30 s

ufig

keit

[-]

log Molekulargewicht [g/mol]

103 104 105 106 1070,0

0,5

1,0

h) tv = 60 s

ufig

keit

[-]

log Molekulargewicht [g/mol]

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 430

In Bild 9 sind in vier Diagrammen die Molekülmasseverteilungen für jeweils eine Temperatur von 230 °C und eine konstante Verweilzeit bei variierender Scher-geschwindigkeit dargestellt. Dabei sind entsprechend wie in Bild 8, die Vertei-lungen für das Roh-Material, das aufgeschmolzene Polymer und für die degra-dierten Proben abgebildet. Für Verweilzeiten von 3 und 15 Sekunden scheint eine Vervierfachung der Schergeschwindigkeit keinen weiteren Abbau des Ma-terials hervorzurufen, Bild 9, e) und f). Hingegen nimmt bei einer Verweilzeit von 30 Sekunden bereits bei einer dreimal höheren Schergeschwindigkeit der Ab-bau merklich zu, Bild 9, Diagramm g), orange Kurve. Bei einer weiteren Erhö-hung der Schergeschwindigkeit verschiebt sich die Verteilungskurve geringfügig zu kleineren Werten (rote Kurve). Bei einer Verweilzeit von 60 Sekunden liegen die Molekülmasseverteilungen der degradierten Proben eng zusammen, aber deutlich verschoben zu kleineren Werten als die Verteilung des Roh-Materials und des rein aufgeschmolzenen Polymers.

In Tabelle 5 sind für die in Bild 8 und Bild 9 dargestellten Verteilungen die zu-gehörigen Zahlen- und Gewichtsmittelwerte der Molekülmassen aufgelistet. Es sind die Werte für das Roh-PP, das aufgeschmolzene PP bei 230 °C und die Werte der belasteten Proben aufgeführt.

Verweilzeit

Temperatur Scherge-

schwindigkeit Mn Mw PD [s] [°C] [s-1] [103xg/mol] [103xg/mol] [-]

unbelastet 127 455 3,58 aufgeschmolzen 230 85,3 239 2,80

3 230 335 80,1 324 4,04 15 230 335 80,1 287 3,58 30 230 335 77,1 253 3,28 60 230 335 39,1 83,9 2,15 3 230 670 76,6 268 3,50 15 230 670 74,5 319 4,28 30 230 670 65,5 242 3,69 60 230 670 29,6 118 3,99 3 230 1005 81,5 394 4,83 15 230 1005 78,3 270 3,45 30 230 1005 45 150 3,33 60 230 1005 40,9 118 2,89 3 230 1340 75,6 288 3,81 15 230 1340 67,5 276 4,09 30 230 1340 29,1 106 3,64 60 230 1340 23,9 88,4 3,70

Tabelle 5: Zahlen- und Gewichtsmittelwerte der Molekülmassen des Roh-PP und der degradierten Proben bei 230 °C

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 431

Die Entwicklung des mittleren Zahlenmittels (arithmetischer Mittelwert aus zwei Messwerten) der Molekülmasseverteilung über der Verweilzeit ist für unter-schiedliche Schergeschwindigkeiten bei konstanter Temperatur (230 °C) in Bild 10 aufgetragen. Zum Zeitpunkt t = 0 s ist der Wert für die rein aufgeschmolzene Probe als Ausgangswert dargestellt. Die unterschiedlichen mittleren Zahlenmit-tel der Molekülmasse sind für verschiedene Schergeschwindigkeiten über der Verweilzeit aufgeführt.

Bild 10: Zahlenmittel der Molekülmasse über die Verweilzeit für verschiedene Schergeschwindigkeiten bei einer konstanten Temperatur (230 °C)

0 10 20 30 40 50 60

0,00

2,50x104

5,00x104

7,50x104

1,00x105

g_pkt = 335 s-1

g_pkt = 670 s-1

g_pkt = 1005 s-1

g_pkt = 1340 s-1

Mol

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se M

n [g/m

ol]

Verweilzeit [s]

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Bild 11: Zahlenmittel der Molekülmasse über die Schergeschwindigkeit für verschiedene Verweilzeiten bei konstanten Temperatur (230 °C)

In Bild 11 sind die vier unterschiedlichen Verweilzeiten über der Scherge-schwindigkeit und einer Massetemperatur von 230 °C, aufgetragen. Der Wert für die Schergeschwindigkeit = 0 s-1 repräsentiert abermals die aufgeschmol-zene Probe.

Im Folgenden wird der Einfluss der thermo-mechanischen Belastung auf die Verteilungsbreite der Molekülmasse diskutiert. Wie bereits aus Bild 8 und Bild 9 hervorgeht, bleibt die Breite der Molekülmassenverteilung annähernd konstant. Die Polydispersität schwankt zwar zwischen 2,15 und 4,83, allerdings ist anzu-merken, dass die GPC-Analyse mit Abweichungen behaftet ist und die Polydispersität gegenüber Schwankungen, welche vor allem rechts der Vertei-lungskurve (Glockenkurve) liegen, sehr empfindlich reagiert. Aufgrund der Tat-sache, dass die Auswertung der Polydispersität auf eine Veränderung der Ver-teilungsbreite vermuten lässt, aber die Betrachtung der Verteilungen in Bild 8 und Bild 9 das Gegenteil zeigen, wurde die Frage nach der Veränderung und Abhängigkeit der Polydispersität von der Belastung mit einem statistischen Trendtest geklärt.

Mit dem Trendtest nach Neumann wird überprüft, ob für die vorliegenden Werte einem Trend vorliegen oder nicht. Die nach Gleichung 4 zu berechnende Größe

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0,00

2,50x104

5,00x104

7,50x104

1,00x105

t_v = 3 s t_v = 15 s t_v = 30 s t_v = 60 s

Mol

ekü

lma

sse

Mn [g

/mol

]

Schergeschwindigkeit [s-1]

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Q wird mit einem Tabellenwert aus der sog. Neumann-Tabelle bei einem Signifikanzniveau von P = 95 % verglichen. [21]

1 ∗ Gleichung 4

x = Merkmalsausprägung i = Index s = Standardabweichung n = Anzahl der Merkmalsausprägung

Dazu wurde eine Bewertung der Belastung durchgeführt, die sich an der Tem-peratur, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit orientiert, Tabelle 6. Jeder Untersuchungspunkt wird bewertet, bezogen auf den möglichen maximal Wert (T1+ 4+tV4 = 1+4+4 = 9). Ein Untersuchungspunkt mit T1 = 230 °C, 1= 335 s-1

, tv1 = 3 s erhält den Wert (1+1+1)/9 = 1/3. Der Wert 0 steht für eine geringe Be-lastung, und der Wert 1 spiegelt eine hohe Belastung wieder. In Bild 12 ist die Polydispersität über der Belastung aufgetragen.

Tabelle 6: Bewertungsmethode der Polydispersität

Mit dem Trendtest nach Neumann liegt mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % kein Trend vor (Q = 2,11 > P(95%) = 1,223). Wie in Bild 12 gezeigt, besteht damit zwischen der Polydispersität und der Größe der Belastung keine Abhän-gigkeit.

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Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 434

Bild 12: Polydispersität über Belastung für 230 °C

3 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass mit dem vorgestellten Zylinder-system mit einer guten Reproduzierbarkeit PP-Proben belastet wurden. Weiter-hin wurden erfolgreich unterschiedlich stark beanspruchte Materialproben er-zeugt und durch die GPC analysiert. Die Einflüsse der Schergeschwindigkeit und der Verweilzeit auf den Molekülmassenverlust wurden herausgearbeitet und dargestellt. Durch die mehrminütige Aufschmelzzeit des Polymers im Zylin-dersystem wurde das Material einer thermisch-oxidativen Beanspruchung aus-gesetzt, wodurch eine Materialschädigung stattfand.

Der nächste Arbeitsschritt liegt in der Untersuchung des Einflusses der Tempe-ratur auf den Abbau von PP. Dazu werden bei unterschiedlichen Temperaturen die Schergeschwindigkeit und Verweilzeit variiert. Weiterhin werden PP-Typen mit unterschiedlichen Fließverhalten, als das hier vorgestellte PP, untersucht. Auf Basis dieser Daten wird ein physikalisch-mathematisches Modell hergelei-tet, welches den Materialabbau von PP in Abhängigkeit der Temperatur, Scher-geschwindigkeit und Verweilzeit beschreibt. Zur Validierung des Modells wer-den sich experimentelle Untersuchungen auf einem Einschneckenextruder an-schließen.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

2,5

5,0

PD für 230 °C Min = 3,16 Max = 4,17 Mittelwert = 3,59

Pol

ydis

pers

ität P

D [-

]

Belastung [-]

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Littek, Schöppner et al. Messung zum Materialabbau von Polypropylen

Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 435

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Page 24: Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology · Polymer für die experimentellen Untersuchungen ausgewählt. Bei den experi- Bei den experi- mentellen Untersuchungen

Littek, Schöppner et al. Messung zum Materialabbau von Polypropylen

Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 4 438

Stichworte: Materialabbau, Polypropylen, Molekülmasse

Keywords: Material Degradation, Polypropylene, molecular weight

Autor/author: Dipl.-Ing. Stefan Littek M. Sc. Martin Schneider Prof. Dr. Klaus Huber Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner Institut für polymere Materialien und Prozesse Universität Paderborn Warburger Str. 100 33098 Paderborn

Email address: [email protected] Web page: www.ktpweb.de Tel.: +49(0)5251/60-2451 Fax: +49(0)5251/60-3821

Herausgeber/Editor: Europa/Europe Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, responsible Chair of Polymer Technology University Erlangen-Nuremberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Germany Phone: +49/(0)9131/85 - 29703 Fax.: +49/(0)9131/85 - 29709 Email address: [email protected]

Amerika/The Americas Prof. Prof. h.c Dr. Tim A. Osswald, responsible Polymer Engineering Center, Direc-tor University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI 53706 USA Phone: +1/608 263 9538 Fax.: +1/608 265 2316 Email address: [email protected]

Verlag/Publisher: Carl-Hanser-Verlag Jürgen Harth Ltg. Online-Services & E-Commerce, Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen Kolbergerstrasse 22 81679 Muenchen Tel.: 089/99 830 - 300 Fax: 089/99 830 - 156 Email address: [email protected]

Beirat/Editorial Board: Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/ Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology

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