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11.04.2019

Partikelgefüllte Polymerschmelzen verstehen

Neue Simulationsmethode zur Vorhersage des Fließverhaltens

Der Verein zur Förderung des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) verleiht seinen diesjährigen Doktorandenpreis an Dr. Jan Domurath. In seiner Dissertation widmet sich der Werkstoffwissenschaftler mit Methoden der Kontinuumsmechanik und numerischen Modellierung der Aufklärung des Fließverhaltens von Polymerschmelzen, in denen sich nano- oder mikroskalige harte Füllstoffteilchen befinden.

Hohe Praxisrelevanz

Die Fragestellung sei von hohem Interesse für industrielle Prozesse, denn sehr häufig werden Polymeren bei der Verarbeitung harte Füllstoffe wie Ruß, Silica, plättchenförmige Tonpartikel, Kohlenstoffmikrofasern oder Mikrokügelchen aus Glas zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern bzw. gezielt einzustellen, beispielsweise die mechanische Festigkeit, die Viskosität, Flammfestigkeit oder elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.

Dr. Jan Domurath erhielt den Doktorandenpreis des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden 2019 (© IFP/J. Loesel)

Mit seiner Dissertation „Stress and strain amplification in non-Newtonian fluids filled with spherical and anisometric particles“ hat Domurath nach Angaben des IPF Neuland beschritten; es ist die erste Arbeit, bei der Computersimulationen zur Berechnung von rheologischen Parametern transversal isotroper Fluide (TIF) genutzt wurden. Solche Fluide besitzen durch das Zufügen von Partikeln verschiedene Eigenschaften in verschiedenen Raumrichtungen.

Drei Gutachter aus Deutschland, Frankreich und den USA bescheinigen ihm, die Rheologie von Suspensionen wesentlich vorangebracht zu haben. Professor Tim Osswald (University of Wisconsin-Madison), einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Polymerverarbeitung, hat die Arbeit von Jan Domurath gar als beste Dissertation der letzten 20 Jahre auf dem Gebiet der theoretischen Polymerrheologie und Suspensionen eingeschätzt.

Gleichung auch für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten anwendbar

Domurath stellte als Ausgangspunkt für seine Arbeit zunächst einen umfassenden Überblick über bekannte Konzepte zur Rheologie von Suspensionen zusammen und arbeitete sich in die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) von nicht-Newtonschen Fluiden ein. Die Besonderheit nicht-Newtonscher Fluide ist, dass ihre Eigenschaften von der Beanspruchung abhängen. Viele Polymerschmelzen werden unter Belastung dünnflüssiger, d.h. ihre Viskosität nimmt ab.

In Simulationen verifizierte Jan Domurath, dass die TIF-Gleichung auch im nicht-Newtonschen Bereich anwendbar ist. Dafür entwickelte er einen auf die Rheologie gefüllter Schmelzen angepassten CFD-Ansatz. Dieser wird nunmehr bereits im Rahmen von anderen laufenden Gradierungsarbeiten zur Untersuchung gefüllter Polymersysteme eingesetzt.

Außerdem sei es ihm gelungen, die Abhängigkeiten der rheologischen Koeffizienten der TIF-Gleichung von der Stärke der Nichtlinearität zu beschreiben. Die modifizierte TIF-Gleichung lässt sich einfach in Prozesssimulationssoftware für den Spritzguss von Polymeren implementieren und kann damit helfen, Verarbeitungsprozesse von gefüllten Polymerschmelzen zu optimieren und deren Materialeigenschaften vorherzusagen bzw. gezielt einzustellen.

Deutsch-französische Zusammenarbeit

Jan Domurath promovierte im Rahmen eines deutsch-französischen Doktorandenprogramms in Zusammenarbeit von Technischer Universität Dresden und der Université de Bretagne Sud. Betreut wurde er von Prof. Dr. Gert Heinrich (TUD und IPF), Privat-Dozentin Dr. Marina Grenzer (IPF) und Prof. Gilles Ausias (UBS, Lorient). Die Verteidigung erfolgte an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. (kk)

Weiterführende Information
  • 15.11.2018

    Blends aus Kautschuk und PUR

    Wilfried-Ensinger-Preis des WAK für Dr. Muhammad Tahir

    In seiner Promotion zeigt Tahir einen neuartigen Weg auf, wie sich Mischungen aus kostengünstigen kautschukbasierten Materialien und Polyurethan-Hochleistungspolymeren herstellen lassen.   mehr

  • 13.11.2017

    Auszeichnung für Dissertation

    Dr. Simone Gäbler erhält Röchling-Preis des WAK

    In ihrer Doktorarbeit widmete sich die Preisträgerin dem anwendungsrelevanten Feld der Charakterisierung von polymerbasierten Faserverbundmaterialien.   mehr

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