Thomas Johannes Unger,
"Compoundieren von Ultrahochmolekularem Polyethylen"
, 2-2021
Original Titel:
Compoundieren von Ultrahochmolekularem Polyethylen
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Um den Anforderungen an neue Werkstoffe und im Speziellen an neue Kunststoffe gerecht zu
werden, versucht die Industrie und Wissenschaft diese immer weiter zu entwickeln bzw. neue
Erfindungen zu etablieren. Ein Weg um die Eigenschaften von bestehenden Kunststoffen zu
verbessern und damit Materialien mit verbesserbarer Ökobilanz zu substituieren ist die
Compoundierung. Das darunter verstandene Vermischen von mehreren Kunststoffen unter
Ausnutzung der jeweiligen guten Eigenschaften bzw. das Vermengen mit Additiven, Füll-, Farbund
Verstärkungsstoffen eröffnet großartige Möglichkeiten und erstellt eine Ausgangsbasis um
finale, maßgeschneiderte Materialien für unzählige Endanwendungen zu erzeugen.
In der vorliegenden Dissertation wurde ein Aufbereitungsprozess mit tauglicher Basisformulierung
entwickelt der den Kunststoff ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) auf herkömmlichen
Spritzguss- und Einschneckenextrusionsanlagen verarbeitbar macht. Polyethylen ist mit einem
Anteil von 25 bis 30% der am häufigsten hergestellte Kunststoff und existiert in verschiedenen
Variationen, welche sich hauptsächlich durch ihre Molmasse und Dichte unterscheiden. Als
ultrahochmolekular werden all jene hochdichten Polyethylene bezeichnet welche eine Molmasse
von mindestens 1.000.000 g/mol aufweisen und sich dadurch nur mit semi- und
diskontinuierlichen Prozessen wie Pressen, Sintern oder Ram-Extrusion verarbeiten lassen. Mit
Hilfe einer Materialstudie und der Entwicklung einer Basisrezeptur wurde aufgezeigt, dass
Kunststoffcompounds mit bis zu 90% Gewichtsanteilen UHMWPE auf gleichläufig drehenden,
dicht-kämmenden Doppelschneckenextrusionsanlagen hergestellt werden können. Die
Auswirkung verschiedener Additive und deren Einfluss auf die Verarbeitbarkeit wurde ebenfalls
untersucht. Durch experimentelle Untersuchungen wurden die Einflüsse der Maschinen? und
Verfahrensparameter wie Verfahrenslänge, Schneckendrehzahl, Prozesstemperaturen,
Energieeintrag sowie der Schneckengeometrie ausgewertet und analysiert. Mit Hilfe eines
Onlinerheometers konnten die hergestellten Compounds noch in Schmelzeform, also direkt nach
dem Aufbereitungsprozess scher? sowie dehnrheologisch untersucht und die Ergebnisse
ausgewertet und diskutiert werden. Sämtliche hergestellten Materialien wurden mit Hilfe einer
Unterwassergranulierung abgekühlt und in Granulatform gebracht. Diese Granulate konnten dann
in einem weiteren Plastifizierschritt unter zu Hilfenahme einer Spritzgussmaschine zu Prüfkörpern
verarbeitet werden. Die produzierten Prüflinge wurden danach mechanisch und mikroskopisch
untersucht, getestet und die Untersuchungsergebnisse interpretiert. Durch die Gegenüberstellung
der Onlineviskositätsdaten mit den mechanischen Prüfdaten konnten Korrelationen zwischen
Prozesseinstellungen, UHMWPE-Gehalt, Viskosität und mechanischen Eigenschaften aufgezeigt
werden.
Zur weiteren Verbesserung wurden ausgewählte Rezepturen mit Hilfe von Kalziumcarbonat
(CaCO3), mehrschichtige Carbon Nano Tubes (mwCNT), Glasfasern (GF) und Kohlefasern (CF)
gefüllt und verstärkt. Es konnte gezeigt werden, dass durch den gezielten Einsatz von
Verstärkungsstoffen die mechanischen Eigenschaften der UHMWPE-Compounds stark
verbessert werden können. Final konnten ausgewählte UHMWPE-Compounds auf industriellen
Einschneckenextrusionsanlagen zu Einschichtrohren weiterverarbeitet werden. (Betreut durch Univ.-Prof. DI Dr. Jürgen Miethlinger, Univ.-Prof. DI Dr.mont. Clemens Holzer)