Mutual Interactions between Crystallization and Flow in Polypropylene

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Strömung und Kristallisation in unterkühlten Polymerschmelzen. Durch Scherung einer unterkühlten Schmelze wird die Anzahl der wachstumsfähigen Sphärolithen pro Volumeneinheit vervielfacht. Abhängig von den Kristallisationsbedingungen bilden sich eine Schichtstrukturen aus, wie sie auch typischerweise in Spritzgussteilen zu finden sind. Es sollte klar sein, dass durch fortdauernde Scherung während der Kristallisation auch die Strömungseigenschaften auf bisher noch unbekannte Weise beeinflusst werden. Für die Untersuchungen wird ein Modellexperiment benutzt, bei dem die Strömung einer unterkühlten Polymerschmelze durch eine rechteckige Düse mittels konstantem Druckabfall erzeugt wird. Diese Art vom Experiment wurde früher bereits zur Untersuchung des Einflusses der Scherbedingungen auf die Kristallisationskinetik verwendet. Die Scherzeiten bei diesem klassischen „Kurzzeit-Scherexerperiments“ werden hier erweitert, was zu einer Überlappung von Scher- und Kristallisationsvorgang führt und somit eine Kopplung zwischen Strömung und Kristallisationskinetik zur Folge hat. Für die experimentellen Studien werden als Modellmaterial ein technisches Polypropylen „Daplen DM 55 pharm“ von Borealis verwendet. Im Laufe der praktischen Arbeiten wird die totale extrudierte Masse und die Intensität von linear polarisiertem roten Licht, welches durch die gescherte Schmelze geführt wird, während und nach der Scherung untersucht. Durch Verwendung eines zusätzlichen Polarisators (Orientierung parallel bzw. senkrecht zur ursprünglichen Polarisationsrichtung) wird die der Polarisationszustand des transmittieren Lichts aufgezeichnet. In einer Serie von Experimenten bei 135°C und niedrigeren Drücken von 170 bis 180 bar wird eine gute Korrelation zwischen Scherzeit und der Zeit, die zum Erreichen der Hälfte der ursprünglichen Intensität verstreicht („Halbwertszeit“), gefunden. Kürzere Scherzeiten führen zu längeren Halbwertszeiten des Gesamtintensitätssignals. Bei der gleichen Temperatur von 135°C und höheren Drücken von 280 bis 360 bar zeigt sich jedoch, dass kleine Änderungen der Strömung vor dem Düseneintritt starke Auswirkungen auf die Messungen haben, was zu einer schlechten Korrelation zwischen Scherzeit, Druck und dem Intensitätssignal führt. Daher wird die extrudierte Masse als charakteristische Größe als Ersatz für die Scherzeit in diesen Experimenten verwendet. Dabei weisen die Kurven der Gesamtintensität eine ähnliche Form auf, und die Halbwertszeit steht in eindeutiger Relation zur extrudierten Masse. Höhere extrudierte Massen ergeben auf nicht-lineare Weise kürzere Halbwertszeiten. Zusätzliche Auswertungen des Polarisationssignals unter gekreuzten Polarisatoren bei den Experimenten bei 135°C lieferten weitere Einsichten über die erzeugten Strukturen: Die Zeit für das Polarisationssignale bis zur vollständigen Depolarisation korreliert stark mit den entsprechenden Halbwertszeiten der Gesamtintensitätssignale. Durch Untersuchung von Mikrotomschnitten des in der Düse erstarrten Materials werden schmale doppelbrechende Schichten gefunden. … Mikrotomschnitte der Proben, die von verschiedensten Experimenten genommen werden, enthüllen ein komplexes Muster bestehend aus zwei transkristallinen Schichten nahe an den Probenoberflächen und großen Sphärolithen in der Probenmitte. In vielen Fällen kann auch eine fein-kristalline Schicht gefunden werden, welche kleinen Unterschieden im Temperaturprofil auf Grund der speziellen Methoden der Temperaturregelung in beiden Experimenten zu geordnet werden kann Die Experimente in dieser Arbeit zeigen klar, dass die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Kristallisation und Strömung entscheidend für die Bildung von Morphologien ist, wie sie bei Verarbeitungsprozessen von Polymerschmelzen erhalten werden.