Funktionalisiertes Graphen als multifunktionales Additiv und Nanofüllstoff für die Schmelzcompoundierung von Thermoplasten und thermoplastischen Elastomeren

Hochschulschrift

Zusammenfassung: Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Erzeugung multifunktional verstärkter Polymernanokomposite eines bislang unbekannten Materialeigenschaftsprofils durch Einarbeitung funktionalisierter Graphene (FGs) auf der Basis von thermisch reduziertem Graphitoxid (TRGO). Hierbei zielte die Übertragung der außergewöhnlichen Eigenschaften der Graphen-Nanoplättchen auf zähmodifiziertes, flammgeschütztes Polypropylen (PP-FR), Polyamid 12 (PA 12) und Polystyrol-b-Poly(Ethylen-co-Butylen)-b-Poly-styrol (SEBS) auf eine simultane Verbesserung der Mechanik, der elektrischen Leitfähigkeit und des Brand- oder Barriereverhaltens in Thermoplasten und thermoplastischen Elastomeren ab. Darüber hinaus wurde der Einfluss von TRGO auf die Überstrukturbildung und die Eigenschaften ternärer All-PE/Graphen-Hybridnanokomposite untersucht.Der verstärkende TRGO-Charakter wurde im Zuge der Kompositbildung durch Schmelzcompoundierung von PP-FR, PA 12 und SEBS anhand der vergleichenden Einarbeitung konventioneller, sowie in der Entwicklungsphase befindlicher, kommerzieller Kohlenstoffadditive evaluiert. Neben den expandierten Graphiten EG 40 und EG 60 dienten die Multilagengraphene MLG 250 und MLG 350 hierbei als plättchenförmige Referenzfüllstoffe mit einer in dieser Reihenfolge abnehmenden Partikelgröße und Graphenlagenzahl. Ferner kamen mit CNTs und CB auch Kohlenstofffüllstoffe mit zylindrischer und sphärischer Morphologie und abweichenden Aspektverhältnissen als gut erforschte Referenzsysteme zum Einsatz. Durch die Beschichtung von PP-FR mit TRGO- und Kohlenstoffdispersionen, sowie die anschließende Schmelzextrusion bei nachfolgendem Spritzguss, gelang es steifere, elektrisch leitfähige PP-FR-Nanokomposite mit optimierten Brandverhalten herzustellen. Die Einarbeitung von TRGO bewirkte hierbei den höchsten Modulzuwachs (+ 80 %) und die effizienteste Reduktion der maximalen Wärmeabgaberate im Brandfall (- 74 %) bei gleichzeitiger Erhöhung der Leitvermögens (1E-6 S/cm), und lässt sich auf die hervorragende Dispergierfähigkeit und die ausgeprägte Bildung perkolierender TRGO-Netzwerkstrukturen zurückführen. MLG 350 und MLG 250 zeigten ähnliche Effekte, erreichten aufgrund ihrer schlechteren Exfolierung aber dispersionsbedingt nicht den mit TRGO erzielten Absolutwertebereich. Im Vergleich plättchenförmiger Füllstoffe führte die Einarbeitung von EG 60 und EG 40 aufgrund der unzureichenden Graphitseparation dagegen zu inhomogenen Mikrokompositen von deutlich geringerer Eigenschaftssynergie. Überdies zeigten die PP-FR-Zusammensetzungen mit konventionellen Kohlenstoffadditiven aufgrund des verstärkten Auftretens verschlaufter CNT-Cluster, sowie infolge des geringen Aspektverhältnisses im Falle von CB kaum erhöhte Eigen-schaftskombinationen.Unter Verwendung des beschriebenen Beschichtungsverfahrens führte die Darstellung von Graphen- und Kohlenstoffnanokompositen mit PA 12 zu vergleichbaren Ergebnissen. So führte die Inkorporierung des TRGO zu erhöhter Steifigkeit (+ 130 %), elektrischer Leitfähigkeit (9∙E-4 S/cm) und reduzierter Sauerstoffpermeation (- 48 %). Im Vergleich der Kohlenstoffadditive gelang es durch die Inkorporierung der Füllstoffbenchmarks infolge unzureichender Füllstoffverteilungen oder abnehmender L/D-Quotienten dagegen nicht, adäquat ausgebildete Perkolationsnetzwerke zu erzeugen, und in den mit TRGO erzielten Wertebereich vorzudringen.Die Herstellung mechanisch verstärkter, leitfähiger SEBS-Nanokomposite mit erhöhter Gasbarriere wurde unter Einsatz eines Lösungsblendverfahrens bewerkstelligt. Hier erzielte die Einbettung von TRGO den ausgeprägtesten Zuwachs der anzulegenden Spannung (+ 193 %), der Härte (+ 42 %) und der Leitfähigkeit (6.8∙E-6 S/cm) bei gleichzeitiger Abnahme der Sauerstoffdurchlässigkeit (- 79 %). Trotz der Additivierung mit Graphen konnte der elastomere Charakter des TPE dabei zu großen Teilen erhalten werden. Dagegen zeigten MLG 350 und hochdruckhomogenisierter Graphit entlang der ansteigenden Graphenlagenzahl und der sukzessive schlechteren Füllstoffverteilungen geringes Optimierungspotential bezüglich der Materialeigenschaften von SEBS.Abseits der Erzeugung konventioneller Graphen-Nanokomposite gelang es durch die Lösungsblendbildung von TRGO mit HDPE und die anschließende Verarbeitung mit PE-Wachs/UHMWPE-Reaktorblends ternäre All-PE/ Graphen-Hybridnanokomposite zu erzeugen. Die resultierenden Faserverbundwerkstoffe zeigten durch die FG-Zugabe einen fortführenden Anstieg ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Steifigkeits-/Zähigkeitsbilanz, welcher in Kombination mit Nanofüllstoffen ein ungewöhnliches Verhalten darstellt. Das gegenwärtig eingesetzte Masterbatchverfahren repräsentiert zudem eine elegante Möglichkeit, das Eigenschaftsprofil von HDPE gezielt durch herkömmliche Urformungsprozesse an vorherrschende Anforderungen anzupassen
Zusammenfassung: The present study addressed the production of multifunctional polymer nanocomposites of hitherto unknown material property profiles by incorporation of functionalized graphene (FGs) based on the thermal reduction of graphite oxide (TRGO). Transferring the outstanding intrinsic properties of graphene nanoplatelets on toughened, flame retardant polypropylene (PP-FR), polyamide 12 (PA 12) and polystyrene-b-poly(ethylene-co-butylene)-b-polystyrene (SEBS) aimed at a simultaneous improvement of mechanical load capacity and electrical conductivity in addition to fire behavior and gas barrier properties of thermoplastics and thermoplastic elastomers. Furthermore, the influence of TRGO upon superstructure formation and the resulting properties was examined within the fabrication of all-PE/graphene hybrid nanocomposites.The reinforcing character of TRGO was evaluated by the use of conventional and recently developed commercial carbon additives within the formation of PP-FR-, PA 12- and SEBS-nanocomposites using common melt compounding techniques. In addition to expanded graphites EG 40 and EG 60, multi-layer graphenes MLG 250 and MLG 350 served as platelet-like reference fillers, owning decreasing particle sizes and remaining stacks of graphene nanosheets. Moreover, CB and CNTs were employed as well-known comparative carbon additives of spherical and tubular nanofiller morphology and varying aspect ratios, respectively.PP-FR coating with TRGO- and carbon dispersions as well as subsequent melt extrusion and injection molding succeeded to produce electrically conductive PP-FR nanocomposites of enhanced stiffness, which likewise offered improved flame retardancy. Thereby, the incorporation of TRGO accounted for highest modulus increase (+ 80 %) and the most efficient reduction of maximum heat release rate (- 74 %) at simultaneously enhanced electrical conductivity (1E-6 S/cm), which can be attributed to excellent FG dispersibility and the distinct formation of percolating TRGO network-like structures. MLG 350 and MLG 250 induced similar effects, although not reaching the range of absolute values achieved with TRGO due to poorer MLG exfoliation and dispersion performance. In contrast, the comparison of platelet-like fillers revealed that the incorporation of EG 60 and EG 40 offered significantly lower property synergies caused by insufficient graphite separation and the resulting formation of inhomogeneous microcomposites. Moreover, PP-FR nanocomposites containing conventional carbon nanofillers exhibited merely no improved property profiles as a result of both the increased occurrence of highly entangled tubular CNT clusters and the low aspect ratio of spherical CB.Using identical preparative methods, i. e. coating and adjacent processing, the fabrication of PA 12 nanocomposites containing FG and carbon nanofillers achieved comparable results as stated above. The incorporation of TRGO induced maximum stiffness increase (+ 130 %) and electrical conductivity (9∙E-4 S/cm) in addition to reduced oxygen permeation (- 48 %) while the employed carbon benchmarks failed to produce PA 12 nanocomposites of likewise enhanced material properties as a function of insufficient composite homogeneity and decreasing L/D ratio, both correlating with the nanofiller ability to adequate percolation network formation.The preparation of mechanically reinforced, electrically conductive SEBS nanocomposites owning simultaneously enhanced gas barrier properties has been accomplished using a solution blending approach. Embedding TRGO within SEBS achieved the highest increase in required stress to reach a specific strain (+ 193 %), hardness (+ 42 %) and electrical conductivity (6.8∙E-6 S/cm) beside reduced oxygen permeability (- 79 %). Moreover, in spite of the increasing FG content typically accompanied by intense embrittlement, the elastomeric TPE nature could be preserved to a large extent. Confronted to these results, MLG 350 and pristine graphite, exfoliated by high pressure homogenization prior to solution blending, provoked less material optimization as a result of both the increasing number of stacked graphene nanosheets and the successively poorer SEBS / carbon filler dispersion.Beside the development of conventional polymer / graphene nanocomposites owning unconventional material profiles, all-PE/graphene hybrid nanocomposites were prepared successfully by solution blending of TRGO and HDPE and subsequent melt processing with nanostructured HDPE wax / UHMWPE reactor blends. The resulting fiber composites exhibited further increased mechanical properties and in particular further enhanced stiffness / toughness balance stimulated by FG incorporation. Whereas this reflects an unusual behavior in combination with carbon nanoparticles, the current master batch process likewise represents a smart approach to tailor HDPE properties upon prevailing requirements by simply applying well-known molding techniques

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Deutsch
• Anmerkungen: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dissertation, 2015

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Technische Chemie
• Schlagwort: Nanokomposit ; Füllstoff ; Additiv ; Elastomer ; Thermoplast ; HDPE ; Polyamid 12 ; PE-UHMW ; Blende ; Wachs ; Graphen ; Thermoplast ; Nanokomposit

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2015
• Urheber: Hofmann, Daniel Alexander
• Beteiligte Personen und Organisationen: Mülhaupt, Rolf

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/10108
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-101084
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:42 MEZ