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Rheologische Untersuchung von Polymeren

Da die Eigenschaften von Polymeren an fast jedes Anwendungsgebiet angepasst werden können, zählen sie heutzutage zu den wichtigsten Materialien für den technischen Gebrauch und spielen eine sehr wichtige Rolle im täglichen Leben. Neben natürlichen Polymeren wie Proteine, Stärke, Zellulose usw. gibt es viele verschiedene Arten von synthetisch hergestellten Polymeren wie Nylon, Silikone, PVC, Plexiglas usw. Einige Polymere sind hart und spröde, andere zäh und stoßfest, während wieder andere weich und flexibel sind. Die Herstellung und Charakterisierung von Polymeren steht daher im Fokus zahlreicher Industrien und spezialisierter Forschungseinrichtungen.

Rheologisches Verhalten von Polymeren

Polymere sind große Moleküle, die aus vielen sich wiederholenden Untereinheiten bestehen, die Monomere genannt werden. Die Länge der Molekülketten und die Verschlaufungen zwischen ihnen sind entscheidend für die Eigenschaften des Materials. Viele relevante Polymereigenschaften können durch rheologische Tests charakterisiert werden. Für die Beschreibung dieser Eigenschaften sind verschiedene Prüfverfahren erforderlich, um die gewünschten Informationen zu erhalten.

Polymere weisen ein komplexes rheologisches Verhalten auf, das bei der Verwendung oder Herstellung solcher Materialien zu beachten ist. Dazu gehören die Viskosität der Schmelze, das Fließverhalten, die viskoelastischen Eigenschaften, das temperaturabhängige Verhalten, die Glasübergangstemperatur, das Alterungsverhalten usw. Mit verschiedenen Tests und Analysemethoden werden die Polymereigenschaften optimiert, bis sie allen Anforderungen entsprechen  

Untersuchung von Polymeren mittels rheologischer Tests

Rheologische Tests sind bei folgenden Prozessen nützlich:

  • Qualitätskontrolle von Polymeren, z. B. durch die Bestimmung der Viskositätder viskoelastischen Parameter und der Molmasse
  • Verbesserung des Verarbeitungsverhaltens von Polymeren z. B. für Spritzguss, Extrusion, Faserspinnen usw.
  • Optimierung des Endprodukts (z. B. Kunststoffe in der Automobilproduktion)

Acrylglas (PMMA)

Polymethylmethacrylat (PMMA) ist auch als Acrylglas oder als die bekannte, etablierte Handelsmarke Plexiglas™ bekannt. Tatsächlich sieht es aus wie Glas, ist aber sehr leicht und bruchsicher. Bei entsprechender Modifikation weist Acrylglas eine hohe Kratz- und Schlagfestigkeit auf. Das reine Material wird selten als Endprodukt verkauft; es wird häufiger als modifizierte Formulierung mit unterschiedlichen Mengen an Comonomeren, Additiven und Füllstoffen verkauft. Acrylglas hat aufgrund seiner Zusammensetzung einige spezifische Eigenschaften: Es ist lichtdurchlässiger als normales Glas; es ist elastisch, stoßfest und bei Temperaturen über ca. 105 °C leicht formbar; zudem kann es verklebt oder geschweißt werden. Einige Arten sind durchlässig für UV-Licht und Röntgenstrahlen, aber nicht für Infrarotlicht, wodurch sie ideal für spezifische Anwendungen wie Gewächshäuser und Röntgenlithografie sind.

Acrylglas ist in vielen Produkten der Medizin-, Automobil-, Bau- und Optikindustrie zu finden, als Schaugläser, Brillengläser, Fußböden in der Industrie, Leuchtenabdeckungen von Fahrzeugen, Glasfasern, Kameraobjektive, Möbel usw.

Rheologische Untersuchungen an Acrylglas

Eine Art von rheologischem Test, der häufig an Acrylglas durchgeführt wird, ist die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) als Torsionsversuch mit einem Oszillationsrheometer.  Bei diesem Test wird ein fester Stab aus Acrylglas zwischen zwei Klemmen befestigt und mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz über einen definierten Temperaturbereich deformiert. Bei niedrigen Temperaturen zeigt das Polymer ein steifes und sprödes Verhalten (–150 °C). Wenn das Polymer auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wird, beginnt es zu schmelzen und geht bei Glasübergangstemperatur vom festen, glasartigen Zustand in den Erweichungsbereich über und erreicht schließlich den flüssigen, geschmolzenen Zustand. Die präzise Messung eines festen Stabes aus Acrylglas über einen großen Temperaturbereich liefert viele Informationen über den Zusammenhang zwischen makromolekularer Struktur und mechanischem Verhalten.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einer Konvektionsheizung für Einspannvorrichtungen für feste Stäbe ausgestattet ist.

Polyethylen (PE)

Polyethylen (PE) wird unter anderem als Verpackungsmaterial in Form von Flaschen, Beuteln, Folien usw. eingesetzt. Es wird in mehrere verschiedene Kategorien eingeteilt, die hauptsächlich auf seiner Dichte und molekularen Verzweigungsgrad basieren. Es gibt z. B. Polyethylen (HDPE) mit hoher Dichte, Polyethylen (LDPE) mit niedriger Dichte, lineares Polyethylen (LLDPE) mit niedriger Dichte usw. Je nach Umfang und Art der Verzweigung, der teilkristallinen Struktur und der Molmasse kann Polyethylen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Während LDPE für feste Behälter verwendet wird, hat LLDPE eine höhere Zugfestigkeit als LDPE und wird für Verpackungen verwendet, insbesondere in Form von Filmen, Folien, und Plastiktüten. HDPE hat ein hohes Festigkeits-Dichte-Verhältnis und wird für Produkte und Verpackungsmaterialien wie Milchkartons, Waschmittelflaschen, Butterdosen, Müllbehälter und Wasserleitungen verwendet.

Rheologische Untersuchungen an Polyethylen

Rheologische Messungen geben Aufschluss über die chemischen Eigenschaften von PE. Beispielsweise kann die Molmasse von PE durch die Messung der Nullviskosität mit Hilfe von Frequenz-Tests bestimmt werden. Frequenz-Sweeps sind Oszillationsversuche, die mit konstanter Amplitude und variablen Frequenzen durchgeführt werden. Bei niedrigen Werten der Kreisfrequenz lässt sich der Wert der Nullviskosität der Probe bestimmen. Die Null-Scherviskosität ist eine der wichtigsten Eigenschaften einer Polymerschmelze, da sie direkt proportional zur durchschnittlichen Molmasse ist. Ein großer Vorteil der Charakterisierung einer Polymerschmelze mit einem Oszillationsrheometer ist die relativ kurze Zeit, die für eine typische Messung benötigt wird. 

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.

Polypropylen (PP)

Polypropylen (PP) ist ein zähes, flexibles Polymer für vielfältige Anwendungen, u. a. flexible Verpackungen, Textilien, Polymerbanknoten und technische Materialien. PP hat ähnliche Eigenschaften wie Polyethylen, jedoch PP hat eine geringere Dichte, einen höheren Schmelzpunkt (TM > 160 °C) und eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit. Produkte aus PP können auf verschiedene Weise hergestellt werden, z.B. durch Folienextrusion (für Verpackungen), Blasformen (für feste Behälter wie Flaschen, Kübel, Kraftstofftanks) und Spritzguss für Anwendungen wie Schutzhelme, Elektrowerkzeuge und TV-Gehäuse. Durch diese Vielseitigkeit bei der Herstellung können verschiedene Additive (z. B. Farbstoffe und Pigmente) und Verstärkungsstoffe zugesetzt werden, um die Eigenschaften des Polymers zu verändern. So verleiht beispielsweise die Verstärkung mit glasformendem PP bei höheren Temperaturen eine erhöhte Zugfestigkeit.

Rheologische Untersuchungen an Polypropylen

Um zu sehen, wie PP (oder glasfaserverstärktes PP) auf mechanische Beanspruchung bei verschiedenen Temperaturen reagiert, wird mit Hilfe der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) geprüft. Die Hauptziele eines solchen Tests sind es, zu sehen, an welchem Punkt das Polymer beginnt zu erweichen ( Glasübergangstemperatur, Tg) und bis zu welcher Temperatur es noch einer bestimmten mechanischen Belastung widerstehen kann. Es gibt andere Methoden der thermischen Analyse (dynamische Differenzkalorimetrie, DSC, oder thermomechanische Analyse, TMA), aber die DMA ist in der Regel viel genauer, um Tg zu bestimmen.

Beim DMA-Torsionstest wird eine feste Probe (z. B. mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt) des Polymers zwischen zwei Klemmen fixiert und mit einer bestimmten sinusförmigen Amplitude und Frequenz unter Verwendung eines Oszillationsrheometers deformiert. Die Probe wird über einen definierten Temperaturbereich einer Deformation oder Schubspannung ausgesetzt und das Verhalten des Polymers auf die vorgegebene mechanische Belastung bei ansteigender Temperatur gemessen.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einem Linearmotor zur dynamisch-mechanischen Analyse ausgestattet ist.

Polystyrol (PS)

Polystyrol ist vergleichsweise kostengünstig in der Herstellung und gehört zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen. In Form von Styropor wird es häufig für Schutzverpackungen verwendet. In fester Form wird es für Baumaterialien, Joghurtbehälter, CD/DVD-Hüllen, Flaschen usw. verwendet. Polystyrol hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (ca. 100 °C) und ist transparent. In industriellen Anwendungen ist es meist farbig.  

Rheologische Untersuchungen an Polystyrol

Um das kurz- und langfristige Verhalten einer Polystyrolschmelze zu untersuchen, kann ein Frequenz-Test mit einem Oszillationsrheometer durchgeführt werden. Frequenz-Tests sind Oszillationsversuche, die mit einer konstanten Amplitude und variablen Frequenzen durchgeführt werden. Die Polymerprobe kann in Form von Granulat, Pulver oder als vorgeformte Platte vorliegen. Die Analyse des Schnittpunktes der Kurven des Speichermoduls und des Verlustmoduls ermöglicht es, ein qualitatives Bild der durchschnittlichen Molmasse der Polymerprobe zu erhalten. Mit weiteren Analysemethoden lässt sich die Molmassenverteilung (MMV) bestimmen. Im Gegensatz zu anderen Methoden wie der GPC-Analyse (Gelpermeationschromatographie) sind für diese Testmethode keine Lösungsmittel erforderlich und es gibt keine Grenzen für die MMV-Bestimmung 

Für diesen Test wird ein Rheometer mit einem ein Peltier-Temperiersystembenötigt.

Polyurethan (PU)

Polyurethane (PU) sind die am häufigsten verwendeten Polymere zur Herstellung von Schaumstoffen. PU werden durch eine Zweikomponentenreaktion zwischen einem Isocyanat und einem Polyol gebildet. Mit Wasser entsteht bei der Reaktion CO2, das Blasen im Polymer erzeugt und dadurch einen Schaum bildet. PU sind sehr vielseitige Polymere, deren Anwendungen von Schaumstoffsitzen und -isolierungen über synthetische Fasern wie Spandex bis hin zu diversen Automobilprodukten wie Fahrlager, Beschichtungen und Dichtungsmaterialien reichen. 

Die große Vielseitigkeit von PU ergibt sich aus der Tatsache, dass die beiden Komponenten, aus denen sie hergestellt werden, sehr vielfältig sein können. Lange Polymerketten und eine geringe Vernetzung ergeben ein weiches und dehnbares Polymer, während kurze Ketten mit vielen Vernetzungen ein hartes Polymer ergeben. Durch die sorgfältige Auswahl der Komponenten und die genaue Überwachung der rheologischen Eigenschaften der Reaktion kann das erwünschte Endprodukt erzielt werden.

Rheologische Untersuchungen an Polyurethan

PU werden hergestellt, indem die beiden flüssigen Komponenten, das Isocyanat und das Polyol, gemischt werden und die Mischung in eine Form gegeben wird. Anschließend erfolgt die Aushärtungsreaktion und die Viskosität steigt, bis die Reaktion abgeschlossen ist und das feste Endprodukt entformt werden kann. Die Viskosität und andere Eigenschaften der Probe können über den gesamten Aushärtungsprozess hinweg mit Hilfe eines Rheometers mit einem Platte-Platte-Messsystem analysiert werden. Hier kann beispielsweise ein Oszillationstest mit einer konstanten niedrigen Amplitude, von z. B. 0,05 %, vorgegeben werden. Wichtige Punkte wie die Topfzeit (der Punkt, bis zu dem die Probe noch verarbeitet, z. B. in eine Form gespritzt, werden kann), der Sol-Gel-Punkt (an dem die Probe vom flüssigen in den festen Zustand übergeht) und die Aushärtezeit können gemessen werden, wie in der folgenden Grafik dargestellt.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einem Peltier-Temperiersystem und einem Platte-Platte-Einwegmesssystem ausgestattet ist.