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Escales-Preis

 ist eine Initiative des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) mit Unterstützung des Carl Hanser Verlages. Die Datenbank ist eine Plattform für 

Dissertationen aus dem ingenieurwissenschaftlichen Kunststoffbereich

 und eröffnet promovierten Ingenieuren die Möglichkeit, ihre Doktorarbeit digital zu veröffentlichen und dadurch einem breiten Fachpublikum zugänglich zu machen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Verarbeitung von PLA basierten, geblendeten Partikelschäumen.

Blend

Partikelschäumen

Polylactid

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Thermoplaste

Untersuchung von expandierbaren PLA-Partikelschäumen – Einfluss des Blendsystems auf Verarbeitbarkeit und Eigenschaften

Für einen effizienten Leichtbau werden vermehrt Faserverbundkunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix eingesetzt. Wie können diese optimiert werden?

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Polyamide

Gewebe, technisch

Flammschutzmittel

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Kurzfasermodifikation matrixreicher Zonen gewebeverstärkter, thermoplastischer Verbundwerkstoffe mittels In-Situ-Schmelzeimprägnierung – Einfluss auf quasi-statische Eigenschaften

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen Werkstoffrezepturen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit und Flammresistenz sowie deren Verarbeitung für PCB-Anwendungen.

Harze, Epoxid

Elektrisch leitende Füllstoffe (Metalllegierungen, Ruß, Graphit)

Neuartige wärmeleitende, flammgeschützte Basismaterialien für Leiterplatten – Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

Die Arbeit beschäftigt sich mit der reibungsbedingten Erwärmung kunststoffbasierter tribologischer Systeme und ihrem Einfluss auf das tribologische Verhalten.

Polyetherketon

Prüfen von Kunststoffen

Tribologie

Zum Einfluss des Wärmehaushalts bei der tribologischen Prüfung von Kunststoffen

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht.

Verbindungstechnik

Faserverbundwerkstoffe

Beitrag zum Infrarotschweißen von Kunststoffen in der industriellen Fertigung

Das Interesse an Biokunststoffen nimmt in Wissenschaft und Industrie stetig zu, da diese eine nachhaltige und umweltfreundliche Werkstoffgruppe darstellen. Die Entwicklung von Biokunststoffen wird daher mit großem Forschungsaufwand vorangetrieben. Eine Herausforderung stellt dabei der lückenhafte Kenntnisstand über die Prozess−Struktur−Eigenschaftsbeziehungen dieser Materialien dar, insbesondere, wenn sie als Komponente in mehrphasigen Nanokompositen verwendet werden.

Polybutylenterephthalat

Über die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Polylactid-Nanokompositen

Getrieben durch nötige Energie- und Kosteneinsparungen finden Kunststoffe vermehrt Anwendung als Primärkomponenten in tribologischen Systemen. Der Trend zeichnet sich durch stete Forschung und Entwicklung hinsichtlich der Effektivität unterschiedlicher Materialkombinationen zur Reduktion von Reibung und Verschleiß aus, wobei die reibinduzierte Wärme zu den größten Herausforderungen zählt.

Werkstoffprüfung

Gezielte Nutzung der chemischen Umwandlung von Magnesiumhydroxid — ein neuer Ansatz für die Polymertribologie

Um Dämmplatten aus expandiertem Polystyrol eine bessere Stabilität an der Hauswand zu gewährleisten, werden diese mit einem zusätzlichen Befestigungsdübel aus Polypropylen (PP) befestigt. Dadurch, dass jedoch zwei verschiedenen Materialien verwendet werden, kommt es auf Grund unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten (WLF) zu Wärmebrücken, die sich optisch anhand von Schimmel- und Algenbildung zeigen aber auch Energieverluste mit sich bringen. Motivation dieser Arbeit war es die WLF der beiden Materialien durch den Einsatz eines Füllstoffes anzupassen, jedoch die mechanische Festigkeit des Dübels nicht negativ zu beeinflussen.

Polypropylen-Compound

Polypropylen

Füllstoffe für Kunststoffe

Modifizierung einer Polypropylen-Matrix durch den Einsatz von Mikrohohlglaskugeln

Kontinuierlich verstärkte Faserverbundkunststoffe (FVK) in Form ebener Halbzeuge weisen aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen Eigenschaften, der Möglichkeit zur lastpfadgerechten Auslegung und der Funktionsintegration ein hohes Leichtbaupotential auf. Thermoplastisch basierte Werkstoffsysteme (sog. Organobleche) erlauben wegen der physikalisch basierten Verarbeitung zusätzlich kurze Taktzeiten und tragen dank der Recyclierbarkeit zur Nachhaltigkeit bei. Durch die Integration optischer und/oder ästhetischer Materialeigenschaften können neue Anwendungsfelder für mittlere bis hohe Stückzahlen erschlossen werden, jedoch sind kommerzielle Produkte wegen der textilen Topographie auf der Oberfläche nur bedingt geeignet.

Kunststoff-Halbzeuge

Oberflächentechnik

Oberflächenoptimierung endlosfaserverstärkter Thermoplaste

Pultrudierte, faserverstärkte Tapes werden bisher lediglich zerstörend oder optisch zerstörungsfrei geprüft. Wünschenswert wäre daher ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das kontaktfrei und schnell Risse, Einschlüsse und Änderungen in der Imprägnierung detektieren, also im Gegensatz zu optischen Verfahren das komplette Tapevolumen erfassen kann. Das in dieser Arbeit dazu verwendete Luftultraschallverfahren erfüllt all diese Anforderungen.

Kohlenstofffasern / -matten

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Pultrusion

Qualitätssicherung Kunststoff

Ganzheitliche Betrachtung zur zerstörungsfreien Prüfung von thermoplastischen CFK-Tapes mittels Luftultraschall

Schaumspritzgießen ist ein Verarbeitungsverfahren zur Serienproduktion von geschäumten Kunststoffteilen, welches ein zunehmendes Interesse und Verwendung in der Industrie erlangt. Jedoch sind die Anwendungen aufgrund unzureichender Kenntnisse der Prozessführung und der mechanischen Eigenschaften, der begrenzten Nutzung des Leichtbaupotentials sowie eingeschränkter Oberflächenqualitäten begrenzt. Alle diese Nachteile sind mit der Zellstruktur verbunden. Die Strukturmerkmale wie Randschichtdicke, Zellgröße, Dichte und Homogenität werden während des Verfahrens ausgebildet. Daher ist die Kontrolle der Zellbildungsmechanismen der Schlüssel, um den Einschränkungen entgegenzuwirken und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.

Schaumspritzgießen

Schaumstoffe

Spritzgießsimulation

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Controlling cellular structure in thermoplastic foam injection molding – influence of processing and mold technologies

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu beitragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzieren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.

Beschichten von Kunststoffen

Wärmeleitfähigkeitsmessung

Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit – Struktur und Eigenschaften

Additive Fertigungsverfahren wie das selektive Lasersintern (SLS) bieten die Möglichkeit, Strukturen wie 3D-MIDs, werkzeuglos herzustellen. Erste dreidimensionale Schaltungsträger werden bereits durch das selektive Lasersintern hergestellt. Ein etabliertes Verfahren ist der LPKF-LDS-Prototyping Prozess. Anders als bei den herkömmlichen 3D-MIDs muss bei diesem Verfahren der additiv hergestellte Schaltungsträger jedoch nachträglich mit einer Metallverbindungen beinhaltenden Substanz beschichtet werden, um laserdirektstrukturiert werden zu können. Kommerzielle Materialien für spritzgegossene 3D-MIDs beinhalten schon vorab ein spezielles Additiv zur Laserdirektstrukturierung, welches lokal durch den Laser aktiviert werden kann. Daraus leitet sich der Bedarf an funktionalisierten Pulver-Verbunden für den selektiven Lasersinterprozess zur Gestaltung dreidimensionaler Schaltungsträger ab.

Strukturen und Eigenschaften selektiv lasergesinterter Polyamid- und Polyamid-Kupfer-Systeme für Anwendungen in dreidimensionalen Schaltungsträgern

Expandierbares Polystyrol (EPS, ugs. “Styropor”, “Unicell”, “Styrofoam”) ist einer der meist genutzten Schäume. Mehr als ein Viertel der weltweiten Schaumproduktion bezogen auf das Volumen geht in EPS. Als Partikelschaum hat EPS eine mehrskalige Morphologie aus Zellwänden und -stegen, den Zellen, den Schaumpartikeln und schließlich dem Bauteil. In diesem Zusammenhang bedingt eine Änderung der Partikelgröße auch eine Änderung der zu verschweißenden Fläche, wohingegen kleinere Zellen zu einer anderen Mikromorphologie (Zellstege und -wände) führen. Jedoch ist der Wirkzusammenhang der Morphologie und der Schaumteileigenschaften noch nicht umfassend untersucht worden. Deshalb ist es das Ziel der Arbeit Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufzuzeigen und deren zu Grunde liegende Mechanismen aufzuklären. Dafür werden EPS und ein Partikelschaum aus einem Blend aus Polystyrol und Polyethylen bezüglich des Einflusses der Zellgröße, Partikelgröße und Dichte auf die Mechanik sowie die Isolationseigenschaften untersucht. Daneben, wird die Verteilung des Polymers innerhalb eines Partikels durch eine variabel dicke Partikelhaut gesteuert.

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polystyrol-basierten Partikelschäumen

Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepregs finden in der zivilen Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermo-mechanischen und thermischen Eigenschaften zunehmend Anwendung zur Herstellung von Strukturverbundbauteilen. Obwohl Kohlenstofffasern elektrisch leitfähig sind, weisen aus Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepreg hergestellte Bauteile aufgrund der isolierenden Natur der Epoxidmatrix oft nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeiten in z-Richtung auf. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung ist jedoch für moderne Verbundanwendungen notwendig, bei denen ein gewisses Maß an elektrostatischer Ableitung, elektromagnetischer Abschirmung oder eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Blitzeinschläge erforderlich ist.

Elektrisch leitfähige und interleaf-modifizierte Ruß-Epoxid-Kohlenstofffaser Prepreglaminate mit erhöhtem Blitzschlagwiderstand

Bereits seit den frühen 1980er Jahren werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einer hohen spezifischen Steifigkeit für hochbelastete Strukturbauteile im automobilen Rennsport verwendet. Dem anschließenden Einsatz in Sportwägen von Lamborghini und Ferrari ab den 1990er Jahren folgte die erstmalige Nutzung von CFK in den Serien-Elektrofahrzeugen i3 und i8 von BMW. Aufgrund der Mehrkosten im Vergleich zu metallischen Strukturen und der schlechten CO2-Bilanz von Kohlenstofffasern hat sich diese Werkstofftechnologie allerdings bis- her nur vereinzelt in weiteren Großserienfahrzeugen (z. B. BMW G11) durchgesetzt. 

Auswirkungen von interlaminaren Eigenspannungen auf die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Hybridverbundwerkstoffen 

Partikelschäume bestehen aus vielen miteinander verschweißten Schaumpartikeln. Vorteil von Partikelschäumen ist, dass vergleichsweise einfach leichte Formteile mit äußerst komplexer Geometrie hergestellt werden können. Die Dichte der Formteile kann in einem breiten Bereich variiert werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Formteile an die jeweilige Anwendung spezifisch angepasst werden können. 

Hysteresismessungen an Partikelschäumen: Erstellung eines Modells zur Simulation der Mitteldehnung bei dynamischer Ermüdung 

Polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanocomposites containing different amounts and sizes of nano-SiO 2 particles were prepared using a twin-screw extruder followed by injection molding. Adding a small amount of nano-SiO 2 caused a reduction in material transparency but improved the tensile, toughness, and thermal properties of the polymer nanocomposites due to an adequate level of nano-SiO 2 particle distribution within the polymer matrix. This was particularly in the case with the smaller sized nano-SiO 2 , which not only significantly improved mechanical properties but also preserved optical properties of the nanocomposites. Interestingly, the incorporation of nano-SiO 2 greatly enhanced the ESC resistance of the materials in all investigated fluids, particularly for smaller sizes nano-SiO 2 . The enhancement in ESC resistance was more effective in mild agents and air, where the quality of the deformation process was vastly altered with the presence of nano-SiO 2 . For a comparison of different materials, the ESC resistance improved in the following order: PMMA/SiO 2 &lt; PS/SiO2 &lt; low molecular weight PC/SiO 2 &lt; high molecular weight PC/SiO 2 . In most cases, nanocomposites with 1 vol.% of nano-SiO 2 exhibited the largest improvement in ESC resistance. The correlation of the critical stress intensity factor with the Hansen solubility parameter and molar volume of the agent shows a very good agreement for different fluids, thus allowing to predict the risk of stress cracking in different fluids without performing extensive tests. Moreover, an accelerated ESC-testing in aggressive agent and/or elevated temperature as well as a modified superposition approach have been developed for predicting the slow crack growth behavior, allowing to minimize the test time and the great expense for stress-cracking tests. Additionally, the modeling and simulation of diffusion processes linked to the structural fracture model can be applied for quick screening and mitigating the risk of ESC failures in plastic products.

On the Effect of Nanofillers on the Environmental Stress Cracking Resistance of Glassy Polymers 

Kunststoff-Hartschäume weisen einen breiten Einsatz in strukturellen Anwendungen auf. Das Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Zellmorphologie, Zelldeformation und resultierenden mechanischen Eigenschaften des Schaumes ermöglichen zukünftig Schäume mit gezielt verbessertem Eigenschafts-Gewichts-Verhältnis. In der vorliegenden Arbeit werden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von PET-Schäumen (Strand PET Foams) in einem Dichtebereich von 80 bis 200 kg/m 3 aufgestellt. Die Kombination der holzähnlichen Mikrostruktur mit der einer Honigwabe führt zu einem deutlich anisotropem mechanischen Verhalten. Es konnten hierbei zwei fundamental-unterschiedliche Deformationsmechanismen identifiziert werden. Bei einer Belastung orthogonal zur Schaumplatte erfolgt eine starke axiale Deformationsantwort der ineinander verhakten und gedehnten Zellen, gefolgt von einem lokalen, plastischen Knicken der Zellwände. Im Gegensatz hierzu zeigt sich bei einer Belastung in Plattenebene eine plastische Deformation der Zellwände und -stege. In einem weiteren Schritt wurden die zuvor ermittelten Korrelationen für unterschiedliche Schaumdichten überprüft. Hierdurch wird im Rahmen eines völlig anderen experimentellen Versuchsaufbaus bestätigt, dass die Zelldeformation bei Belastung senkrecht zur Bauteilebene dehnungsdominiert (stretch-dominated) erfolgt und bei einer Belastung in Plattenebene eher eine biegungsdominierte Deformation der Zellen vorliegt (bending-dominated). Die Versuchsergebnisse der Dichtevariationsstudie sowie der in-situ Deformationsmessungen stehen demnach in Einklang und bestätigen die zugrundeliegende Hypothese. Ebenso wurde aufgezeigt, dass bei PET-Schäumen mit hoher Dichte (200 kg/m 3 ) die gemessenen mechanischen Eigenschaften unterhalb derer liegen, die bei Anwendung der Dichteskalierung zu erwarten wären. Die Reduzierung des Zellenaspektverhältnisses bei hohen Dichten bewirkt einen veränderten Deformationsmechanismus, wodurch es zu einer Abweichung der Versuchsergebnisse von den theoretisch zu erwartenden mechanischen Eigenschaften kommt.

Mechanische Eigenschaften von PET-Strangschäumen auf unterschiedlichen Größenskalen 

Die Nachfrage an energieeffizienten Häusern führt zu einer erhöhten Nachfrage der Bau- und Konstruktionsindustrie an polymeren Schaumstoffen mit hervorragenden Wärmedämmeigenschaften. Voraussetzung hierfür ist die Herstellung von mikrozellulären oder, im besten Fall, nanozellulären Schäumen mit niedriger Dichte. Das Erreichen des oben genannten Ziels bringt natürlich einige Herausforderungen mit sich, wie die richtige Auswahl des Schaumbasismaterials, der Nukleierungsmittel, der Verarbeitungsbedingungen sowie der Verarbeitungstechniken. 

Mikrozelluläre Nanokompositschäume geringer Dichte, nukleiert durch kohlenstoffbasierte Nanofüllstoffe ¿ Herstellung, Eigenschaften und Schaumverhalten 

Nanopartikeln (NP) bieten einen vielversprechenden Weg, um effektiv die Eigenschaften von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu verbessern und bestimmte Funktionalitäten einzubringen. In dieser Doktorarbeit wurde die Funktionalisierung von FVK-Strukturen mit drei repräsentativen NP-Systemen mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Charakteristika (Böhmit, Siliziumdioxid und Carbon-Nanotube) vergleichend untersucht. Zunächst, aufgrund der Interaktionen zwischen den drei Ausgangskomponenten sowie ihrem Einfluss auf Prozess und finale Eigenschaften, werden die kritischen Materialeigenschaften jeder Komponente und ihre gegenseitigen Beeinflussungen systematisch charakterisiert. Darüber hinaus werden schwerpunktmäßig die bedeutenden Prozessaspekte wie die Aushärtungskinetik, die Rheologie der NP-modifizierten Epoxidharzmatrix sowie das Kompaktierungsverhalten (globaler/lokaler Faservolumengehalt, Makro-/Mikroporosität) und die Permeabilität der Faserpreforms unter Berücksichtigung des Filtereffekts der NP kritisch untersucht und modelliert. Anschließend, in Anbetracht des komplexen Fließ- und Filterverhaltens der mit unterschiedlichen NP-modifizierten Epoxidharzmatrix, werden unterschiedliche Imprägnierungsstrategien – bestehend aus In-Plane- (sequentielle und parallele Injektion) und Out-of-Plane-Methoden – untersucht. Die Prozessentwicklung wird sowohl durch Experimente als auch Simulationen zum Imprägnier- und Aushärteverhalten von NP-modifizierten Epoxidharzsystemen unterstützt. Schließlich, es werden die mechanischen (mit dem Fokus auf kritische, matrixdominierte Eigenschaften, wie z.B. Risszähigkeit, Biege und interlaminar Schereigenschaften), thermisch-mechanischen und elektrischen Eigenschaften der FVKs hinsichtlich der eingesetzten NP-Systeme vergleichend untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutliche Verbesserungen dieser Eigenschaften durch die Modifizierung mit NP. 

Funktionalisierung von Faserverbunden mit nanopartikelmodifizierten Harzsystemen 

Spritzgießteile mit kleinen oder dünnwandigen Dimensionen finden in nahezu allen Anwendungen Einsatz. Aufgrund der verringerten geometrischen Maße und den dadurch veränderten Fließ- und Abkühlbedingungen in der Verarbeitung wird auch die Ausbildung der physikalischen Struktur im Bauteil beeinflusst. Diese Veränderungen haben letztlich auch Auswirkungen auf das Bauteilverhalten in der Anwendung. Infolge von verschiedenen äußeren Umgebungs- und Einsatzbelastungen finden zudem zeitabhängige physikalische und chemische Alterungsvorgänge im Bauteil statt, wodurch ebenfalls eine Eigenschaftsveränderung von Material und Bauteil hervorgerufen werden kann. Inwieweit die Bauteildimensionen bzw. die prozessinduzierten strukturellen Eigenschaften das Alterungsverhalten thermoplastischer Mikrobauteile beeinflussen ist bislang kaum erforscht. 

Alterung spritzgegossener thermoplastischer Mikrobauteile 

In dieser Arbeit wurde eine neue Generation an Schichtsilikaten zur Modifizierung von PMMA eingesetzt mit dem Ziel, eine maximal mögliche Steifigkeits-Zähigkeits-Balance zu erreichen, ohne die Zugfestigkeit und die Verarbeitbarkeit zu verschlechtern. Zudem wurde die mikromechanische Wirkungsweise dieser neuartigen Nanofüllstoffe durch Analyse von Bruchflächen detailliert aufgeklärt und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgestellt. Um die bessere Performance gegenüber konventionellen Schichtsilikaten hervorzuheben, wurde ein kommerziell erhältliches System aus oberflächenmodifiziertem Bentonit als Benchmark herangezogen und die Nanokomposit-Eigenschaften ebenfalls im Detail analysiert. Am Ende ergab sich ein tiefes Verständnis darüber, in welchem Ausmaß diverse Füllstoffeigenschaften die Nanokomposit-Eigenschaften beeinflussen. 

Mikromechanische Wirkungsweise von Schichtsilikaten der zweiten Generation: ein neuartiger Nanofüllstoff zur Steigerung der Steifigkeit und Zähigkeit von PMMA 

Neuartige Janus-Partikel (JP) wurden zum ersten Mal in technologisch relevanten Mengen synthetisiert und für die Herstellung von Polymerblends im industriellen Maßstab eingesetzt. Die JP wurden als Phasenvermittler in unverträglichen Poly(2,6-dimethyl- 1,4-phenylenether)/Poly(styrol-co-acrylnitril) (PPE/SAN) Polymerblends durch Extrusion verarbeitet. Im Vergleich zum reinen co-kontinuierlichen PPE/SAN-Blend und dem mit SBM Triblockterpolymer kompatibilisierten Blend, konnte mit JP eine wesentlich kleinere PPE-Tröpfchengröße (unter 300 nm) und eine homogenere Verteilung der PPE Tröpfchen in der Matrix erreicht werden. Dies manifestiert die ausgezeichnete Einsatzbarkeit von JP als Verträglichkeitsvermittler in Polymerblends. Bruchmechanische Untersuchungen haben gezeigt, dass die mit JP kompatibilisierten Blends eine viel stärkere Grenzflächenanbindung besitzen als das reine oder mit SBM kompatibilisierte Blendsystem. Dies führt zu einer höheren Festigkeit und Steifigkeit der Phasengrenzfläche in den JP basierenden Blends, die allerdings mit einer im Vergleich zum SBM kompatibilisierten Blend wesentlich niedrigeren Zähigkeit einhergeht. Um Synergien in den mechanischen Eigenschaften zu erreichen, kann die Mikro-/Nanostruktur der Blends aber durch eine Mischung aus JP und SBM maßgeschneidert und so die Zähigkeit wesentlich verbessert werden. Diese Kombination aus JP und SBM Triblockterpolymer als Phasenvermittler resultiert in sowohl die Verkleinerung der PPE-Tröpfchengröße (durch JP) als auch die elastischere Grenzfläche (durch SBM) des PPE/SAN-Blends und führt insgesamt zu einer erheblich verbesserten Beständigkeit gegen Ermüdungsrissausbreitung. JP können auch in PPE/SAN-Schäumen verwendet werden. Die JP erhöhen die Schmelzefestigkeit während der Verarbeitung, wodurch Zellstrukturen mit kleineren Schaumzellen effizient stabilisiert werden können. 

Bruchmechanik von nanostrukturierten Polymermischungen mit Janus Partikeln 

Aufgrund der hohen gewichtsbezogenen Steifigkeit und Festigkeit von Faserverbundkunststoffen (FVK) sind diese Werkstoffe für die Entwicklung von Speichersystemen für z. B. flüssigen Wasserstoff von besonderem Interesse. Allerdings zeigen FVK im Vergleich zu Metallen eine sehr hohe Gaspermeation und Leckrate gegenüber Wasserstoff. Durch eine Kupferbeschichtung kann eine hochfunktionale Permeationssperrschicht erzeugt und so eine ausreichend hohe Dichtheit erreicht werden. Der Einsatz kupferbeschichteter FVK für Speichersysteme stellt für einen beständigen Polymer-Metall-Verbund jedoch eine besondere materialwissenschaftliche Herausforderung an die Grenzschicht bzw. die Interphase zwischen dem FVK und der Beschichtung dar. Das Versagen der Interphase durch mechanische Belastungen ist sehr stark von der Adhäsion zwischen abgeschiedener Kupferschicht und Substratoberfläche abhängig. Daher war das Ziel der Arbeit die Haftfestigkeit zwischen duromeren Faserverbundkunststoffen und abgeschiedener Kupferschichten durch eine gezielte Oberflächenbehandlung zu verbessern und mit Hilfe der Schallemissionsanalyse auftretende Versagensmechanismen insbesondere in der Grenzschicht quantitativ zu untersuchen. Durch eine nasschemische Behandlung mit Essigsäure von polyestervliesmodifizierten glasfaserverstärkten Epoxidharzsubstraten konnte die Schälfestigkeit von 0,8 N/mm übertroffen und somit eine alternative schonendere Vorbehandlungsmethode zu der klassischen mit Chromschwefelsäure entwickelt werden. Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse konnten die Versagensmechanismen im Schälversuch in adhäsives und kohäsives Versagen in der Grenzschicht klassifiziert werden. Weiterhin war eine Quantifizierung der Anteile der einzelnen Grenzschichtversagensmechanismen möglich. In quasistatischen Zugversuchen konnten die Signale bei den metallisierten Proben durch die Anwendung von Mustererkennungsverfahren in die Versagensmechanismen Matrixrisse, Faser-Matrix-Grenzflächen-Versagen, Faserbrüche und Grenzschichtversagen Substrat-Beschichtung klassifiziert werden. 

Einfluss der Grenzflächenstruktur auf die mikro-mechanischen Versagensmechanismen metallisierter Faserverbundkunststoffe 

Faserverstärkte Sandwichstrukturen bieten großes Leichtbaupotential für die Luftfahrt. Der Austausch duroplastischer Materialien durch faserverstärkte thermoplastische Materialien, sowie der Ersatz von Nomex®-Waben (® = registered trademark) durch Schaumkern-strukturen ist vielversprechend für die Senkung der Herstellungs- sowie Wartungskosten von Luftfahrzeugen. 

Thermoplastische faserverstärkte Sandwichstrukturen für strukturelle Helikopteranwendungen 

Die Fließfähigkeit von Polypropylen (PP) und damit die Verarbeitbarkeit in Spritzgießprozessen nimmt mit sinkendem Molekulargewicht zu, die Zähigkeit nimmt jedoch mit sinkendem Molekulargewicht stark ab. Dies führt oft zu einem spröden Versagen von Spritzgießbauteilen. Eine Erhöhung der Zähigkeit kann durch die Kontrolle der Kristallmodifikation und der kristallinen Überstrukturen des Polymers erfolgen. Hierfür sind jedoch in der Literatur bisher keine Erkenntnisse für PP-Typen mit hohen Fließfähigkeiten vorhanden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, mit Hilfe von Nukleierungsmitteln, die Kristallmodifikation und die kristallinen Überstrukturen eines isotaktischen Polypropylens (iPP) mit hoher Fließfähigkeit zu beeinflussen und dadurch die Kerbschlagzähigkeit gegenüber dem unnukleierten iPP um mehr als 50 % zu steigern. Weiterhin soll die mikromechanische Wirkungsweise der beta Modifikation in einem hochfließfähigen Polypropylen aufgeklärt werden. Hierfür werden verschiedene beta-Nukleierungsmittel hinsichtlich ihres Einflusses auf das Kristallisationsverhalten eines hochfließfähigen PP-Typs untersucht. Das Polymer wird bezüglich seiner Morphologie und des Anteils an beta Modifikation sowie der (bruch-) mechanischen Eigenschaften untersucht, um eine Korrelation der jeweiligen Morphologie mit den Eigenschaften aufzustellen. 

Steigerung der Zähigkeit von isotaktischem Polypropylen durch Kontrolle der Morphologie mittels 1,3,5-Benzoltrisamiden 

Durch Zugabe von hartmagnetischen Füllstoffen in die Kunststoffmatrix können sogenannte kunststoffgebundene Dauermagnete hergestellt werden. Durch verfahrenstechnische Vorteile, z. B. im Spritzgießverfahren, finden multipolare, kunststoffgebundene Dauermagnete Anwendung im Bereich der Antriebs- und Sensortechnik. 

Spritzgießen multipolarer, kunststoffgebundener Dauermagnete 

Die vorliegende Arbeit diskutiert die Gasinjektionstechnik anhand des Teilfüllverfahrens der GIT und stellt Lösungsansätze und Interpretationshilfen für die Analyse des Prozesses vor. 

Formteilauslegung, Prozessoptimierung und Qualitätsüberwachung 

Qualitätsorientierte Betrachtung der Gasinjektionstechnik beim Spritzgießen 

Die Abrollgeräusche von den Rädern der Wagons sind die dominierende Quelle von Lärm und Vibrationen im Eisenbahnverkehr. Die derzeit verwendeten polymeren Dämpfungselemente zur Minimierung des Abrollgeräusches können das Dämpfungspotenzial von visko-elastischen Materialien nicht vollständig nutzen. In dieser Doktorarbeit wurden patentierte „granulare Dämpfungselemente“ (Granular Damping Elements (GDE)) eingeführt, die mit Kohlefasern und granularen polymeren Werkstoffen gefüllt wurden. Ihre Eigenschaften können mit Hilfe des hydrostatischen Drucks, dem granulare Werkstoffe ausgesetzt sind, justiert werden. Diese ermöglichen die Feinabstimmung Ihrer Dämpfung. 

Über die Verwendung von viskoelastischen Materialien zur Vibrations- und Geräuschreduzierung von Eisenbahnschienen 

Ein vielversprechender Hochleistungsextruder, der sich bereits in einigen Teilen der Industrie durchgesetzt hat, besteht aus einem durchgängig genuteten Zylinder in Kombination mit einer Barriereschnecke. Der Zylinder ist sowohl im Einzugs- wie auch im Aufschmelzbereich mit Nuten versehen. Obwohl die Leistungssteigerung gegenüber den üblichen Extrudersystemen in der Vergangenheit bereits mehrfach experimentell nachgewiesen wurde, sind die genauen Mechanismen während des Aufschmelzvorgangs noch immer nicht vollständig geklärt. Die Forschung bezüglich des Aufschmelzvorgangs in Einschneckenextrudern mit genutetem Plastifizierzylinder (EEgP) ist somit von wissenschaftlichem Interesse. 

Der Aufschmelzvorgang von Einschneckenextrudern mit genutetem Plastifizierzylinder 

Die Hauptanforderungen an einen Kautschukextruder sind hohe Durchsätze bei guter thermischer Qualität sowie energetisch günstige und stabile Betriebspunkte. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, die Prozessbeschreibung bei der Kautschukextrusion zu verbessern und kautschuktypische Fließphänomene zu berücksichtigen. 

Möglichkeiten und Grenzen einer verbesserten Prozessbeschreibung für Kautschukextruder 

Eine effektive Methode zur Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von Epoxidharzen ist die Verwendung von homogen dispergierten Nanopartikeln. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, speziell den Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Epoxidharz-Nanocompositen zu beschreiben und zu erklären. Im Speziellen soll der Einfluss der Partikelform, der Partikelgröße und des Aspektverhältnisses der Nanopartikel untersucht werden. Für diese Untersuchungen wurden sphärische, stäbchenförmige und plättchenförmige Nanopartikel so ausgewählt, dass diese in ihren geometrischen Abmessungen und ihrer chemischen Zusammensetzung vergleichbar sind. 

Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Epoxidharzen 

Wärmeleitfähige Kunststoffe stellen eine Werkstoffgruppe dar, bei der ein Kunststoff mit leitfähigen Füllstoffen versetzt wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern. Sie werden in Form von gehäuseartigen, dünnwandigen Spritzgießbauteilen oder extrudierten Thermoformbauteilen vor allem im thermischen Management elektronischer Komponenten oder in Wärmetauschern eingesetzt. Meist muss die Wärme dabei in Dickenrichtung des Bauteils geleitet werden und das idealerweise bei möglichst dünnwandigen Strukturen. Leider zeigt die Literatur- und Patentrecherche bei dünnwandigen Kunststoffbauteilen nur eine eher geringe Dickenleitfähigkeit. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass wärmeleitfähige Füllstoffe bei solchen dünnwandigen Bauteilen kaum in Dickenrichtung orientiert sind. In konventionellen Verarbeitungsverfahren, wie dem Spritzgießen oder der Extrusion, werden wärmeleitfähige Füllstoffe stattdessen strömungsbedingt eher in Fließrichtung ausgerichtet. Die geringe Dickenleitfähigkeit bei dünnwandigen Bauteilen stellt ein Problem dar, da ein recht hoher Füllgrad eingesetzt werden muss, um die Wärmeleitfähigkeit hinreichend zu erhöhen. 

Wärmeleitfähige Kunststoffe: Verarbeitungsinduzierte Eigenschaftsbeeinflussung und deren numerische Vorhersage 

Die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen teilkristallinen Kunststoffen sind stark an ihre Morphologie gekoppelt, welche wiederum von der Orientierung der Makromoleküle, den Eigenspannungen und insbesondere von der supermolekularen Struktur, erzeugt durch die Kristallisation während der Verarbeitung abhängt. 

Morphologie und Morphologiebildung spritzgegossener PP-basierter Nanokomposite 

Obwohl der Einsatz von Mikrowellenstrahlung in der Kunststofftechnik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten würde, hat sich ihre Verwendung im großen Umfang bis heute nicht durchsetzen können. Vorteilen wie der berührungslosen, volumetrischen Erwärmung steht in erster Linie die komplexe und schwer zu beherrschende Mikrowellentechnik entgegen. Grundsätzlich ist eine Erwärmung aller Kunststoffe mit polaren Eigenschaften oder einer leitfähigen Modifikation möglich. Das Schweißen mit Mikrowellenstrahlung lässt sich dabei in zwei Varianten unterteilen: Das Schweißen ohne und mit Zusatzwerkstoff. Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen mit beiden Verfahrensvarianten vorgestellt. 

Ein Beitrag zum Verständnis des Erwärm- und Schweißverhaltens thermoplastischer Kunststoffe beim Mikrowellenschweißen 

Fossile Brennstoffe sind die am meisten genutzten Energiequellen der Welt. Jedoch wurde die Gesellschaft durch zahlreiche Gründe dazu bewegt, nach alternativen Treibstoffen zu suchen, um die weltweite Nachfrage zu befriedigen, ohne dabei die Umweltbelastung zu erhöhen. Biodiesel hat sich als hervorragender Ersatz für Dieselkraftstoffe erwiesen, aufgrund der vergleichbaren physikalischen Eigenschaften und durch verbesserte ökologische Vorteile, wie schadstofffreiere Gasemission, Ungiftigkeit, Erneuerbarkeit und biologische Abbaubarkeit. Dennoch unterscheiden sich Biodiesel und Diesel aus fossilen Brennstoffen stark in ihren chemischen Eigenschaften. Darum muss die Kompatibilität der Materialien, die in Kontakt mit Treibstoffen kommen, sowohl für Diesel, als auch für Biodiesel (basierend auf verschiedenen Rohstoffe) gewährleistet werden. Der häufigste Vorschlag aus der Literatur empfiehlt, Nitrilkautschuk (NBR)-basierte Artikel aus der Biodiesel-Anwendung zu entfernen. Allerdings wurden bisher keine Versuche unternommen, die Wechselwirkungen zwischen Nitrilkautschuk und Biodiesel besser zu verstehen und keine Veränderungen oder Verbesserungen für den Herstellungsprozess der Nitrilkautschukprodukte vorgeschlagen. Diese wissenschaftliche Arbeit widmet sich der Untersuchung der Widerstandsfähigkeit verschiedener NBR-Typen und unterschiedlicher NBR Formulierungen gegenüber Biodiesel. Zuerst wurden Nitrilkautschuke mit unterschiedlichem Acrylnitril-Gehalt (33 und 45%) und carboxylierter Nitril-Butadien-Kautschuk (XNBR) mit 28% Acrylnitrilgehalt in Sojabohnen-basiertem Biodiesel untersucht. Die Vorversuche zeigten, dass zunehmender Acrylnitrilgehalt die Widerstandsfähigkeit des Kautschukes gegenüber Biodiesel verbessert. Zudem zeigte die carboxylierte Nitrilkautschukformulierung, trotz des geringen Acrylnitrilgehaltes (28%), nahezu identische Ergebnisse wie NBR-Mischungen mit hohem Acrylnitrilgehalt. Als Ursache für dieses Verhaltens wird vermutet, dass XNBR verschiedene Arten von Vernetzungen während der Vulkanisation ausbilden konnte. Des Weiteren wurden neue Formulierungen von Nitrilkautschuk mit einem hohen Acetonitrilgehalt über eine zweifaktorielle Versuchsplanung hergestellt. In dieser Planung wurden die Mengen von zwei verschiedenen Beschleunigern (Tetramethylthiuramdisulfid – TMTD und N Cyclohexylbenzothiazol-2-sulfenamid – CBS) und die Menge an Schwefel variiert, um verschiedene Arten von Vulkanisationssystemen (konventionell, semi-effizient und effizient) zu erhalten. 

Entwicklung von Biodiesel-resistenter Nitrilkautschukformulierungen 

Das Hauptziel der Arbeit bestand in der Untersuchung des Langzeitverhaltens von polymeren Nano-Verbundwerkstoffen. Dazu wurden erstmalig systematische Experimente zum Einfluss von Nano-Füllstoffen (einschließlich unterschiedlich großer Nanopartikel, Nanoclay, und Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit verschiedenem Schlankheitsgrad) auf das Kriechverhalten von Polymeren bei verschiedenen Temperaturen und Lastniveaus durchgeführt. Zusätzlich wurden Modellierungs-Arbeiten (basierend auf viskoelastischen und empirischen Modellen) angewandt, um das Kriechverhalten dieser Werkstoffe zu verstehen und vorherzusagen. Generell lässt sich schließen, das unter den hier untersuchten Nano-Füllstoffen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit dem größten Längen zu Durchmesser-Verhältnis die beste Verstärkungswirkung in Bezug auf eine erhöhte Dimensionsstabilität und verlängerte Lebensdauer der Verbundwerkstoffe ergaben, gefolgt von Nanoclay und den Nanopartikeln mit kleinerem Durchmesser, während die größeren Nanopartikel die geringsten Verbesserungen bewirkten. Sowohl die experimentellen als auch die Modellierungs-Arbeiten stellen eine grundlegende und wichtige Information für die Auslegung von polymeren Nano-Verbundwerkstoffen für die industrielle Langzeitnutzung und generelle Anwendung dar. 

Charakterisierung, Modellierung und Vorhersage des Kriechwiderstandes von polymeren Nano-Verbundwerkstoffen 

Faserverstärkte Polyurethane sind für viele Anwendungen etabliert, aber fast ausschließlich in nicht-strukturellen Komponenten zu finden. Eine zentrale Anforderung bei der Herstellung großflächiger Strukturbauteile – wie Rotorblätter von Windenergieanlagen – sind ausreichend lange Verarbeitungsdauern des Harzsystems. Für PU-Harze stellt dies eine besondere Herausforderung dar, da Verarbeitbarkeit und gewünschte Endeigenschaften teilweise gegensätzliche Modifikationen in der Harzchemie erfordern. 