Polymerbasiertes Materialdesign

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Unsere Gruppe Polymerbasiertes Materialdesign beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Materialkonzepte sowie mit Fragestellungen zur Optimierung bestehender Polymermaterialien hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften für innovative Anwendungen. Insbesondere steht die Weiterentwicklung von thermoplastisch-verarbeitbaren superelastischen Polymeren, nanostrukturierten Copolymeren sowie mit nanoskaligen Füllstoffen modifizierten Polymersystemen im Vordergrund. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Zusammenhänge zwischen molekularer Struktur, Morphologie und mechanischen Eigenschaften polymerer Materialien.

Leistungen

  • Entwicklung von Materialkonzepten zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Copolymeren und Nanokompositen
  • Compoundierung und Verarbeitung von Copolymeren mit Zuschlag- und Füllstoffen vom Labor- bis hin zum Technikumsmaßstab
  • Schmelzrheologie und dynamisch - mechanische Untersuchungen
  • Strukturuntersuchungen an Copolymeren und Nanokompositen (nanoskalige Morphologie, kristalline Struktur, Füllstoffdispergierung und -verteilung)
  • Mechanische Werkstoffcharakterisierung (dynamisch-mechanisch-thermische und quasistatische Beanspruchung, Bruchmechanik, Risskinetik, Dehnungsfeldanalyse) und Korrelation mit der Morphologie um Materialeigenschaften gezielt beeinflussen zu können
  • Untersuchung des Deformationsverhaltens von Elastomeren und super-elastischen Polymeren bei hohen Dehnungen und Interpretation des Spannungs-Dehnungs - Verhaltens unter Verwendung von Modellen der Gummielastizität ( z.B. Spannungserweichung, Deformationstest )

Themen

TEM - Aufnahmen der Mikrophasenseparation, lokale Spannungskonzentrationen aufgrund der Domänenform und Analogie zur mittels Doppelbrechung erhaltenen makroskopischen Spannungsverteilung.

Superelastische Polymere

Superelastische Polymere sind thermoplastische Elastomere auf der Basis neuartiger molekularer Architekturen. Sie zeichnen sich durch sehr hohe Bruchdehnungen, teilweise über 1500%, bei gleichzeitig sehr geringer Restverformung im Vergleich zu derzeit kommerziell verfügbaren Basis-TPEs aus. Im Gegensatz zu konventionell chemisch vernetzten Elastomeren kann diese Polymergruppe thermoplastisch verarbeitet werden, da die Vernetzungspunkte physikalischer Natur sind. Weitere besondere Eigenschaften sind eine hohe Deformations- bzw. Hysteresearbeit und eine exzellente mechanische Dämpfung woraus sich ergänzend zu den Anwendungsgebieten aktueller TPEs neue Einsatzgebiete im Bereich akustischer Membranen oder im medizintechnischen Bereich ergeben. Neue Überlegungen sind die elekrostiktiven Eigenschaften der superelastischen Polymere für den Bereich der Elektroaktuation und   -sensorik zu erschließen. Das Themenfeld superelastische Polymere beschäftigt sich mit dem Aufzeigen von Korrelationen zwischen molekularer Struktur, prozessbedingter Morphologie und dem elastomertypischen, mechanischen Eigenschaftsprofil. Darauf aufbauend, lassen sich Polymer und Verarbeitungsprozesse anwendungsspezifisch optimieren.

Superelastische Polymere als neue thermoplastische Elastomere. (PDF)

 

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Auswertung der Risskinetik (links) und des Dehnfeldes (rechts) eines gekerbten Prüfkörpers.

Blockcopolymere und Blendsysteme

Blockcopolymere sind Makromoleküle, die aus zwei oder mehreren kovalent miteinander verbundenen Homopolymerblöcken bestehen. Der spezielle molekulare Aufbau und die chemische Unverträglichkeit der Blöcke resultieren meistens in einer Mikrophasenseparation und damit in der Ausbildung von Morphologien auf nanoskaliger Ebene. Über eine Veränderung der molekularen Architektur und durch die gezielte Beeinflussung der Nanostrukturen, unter anderem über die Verarbeitung oder Herstellung von Blendsystemen, können die mechanischen Eigenschaften über einen weiten Bereich variiert werden. Schwerpunkt dieses Themengebietes ist die Entwicklung von hochfesten, steifen aber gleichzeitig zähen Styrol-Butadien basierten Blockcopolymeren für den Verpackungsmarktsektor und die Medizintechnik. Durch grundlegende Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur, Morphologie und makroskopischen Eigenschaften konnten in Zusammenarbeit mit der BASF SE  hochtransparente Materialen mit hohen Styrol-Anteilen entwickelt werden, die Streckspannungen von ca. 40 MPa bei gleichzeitig hohen Bruchdehnungen von >100 % aufweisen. Die Bewertung der Risszähigkeiten der Materialien erfolgt vorwiegend mit dem Konzept der wahren Brucharbeit, welches für duktile Materialien, dünne Platten und Folien geeignet ist, und mit der Charakterisierung des zeitlichen Verlaufs der Rissausbreitung und Rissaufweitung.

Mikrophasenseparierte Copolymere: neues Materialkonzept. (PDF)

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Rasterkraftmikroskopiebild eines Styrol-Butadien basierten Blockcopolymers mit SiO2-Partikeln.

Nanokomposite

Das Einbringen nanoskaliger Füllstoffe (Schichtsilikate, Kohlenstoffnanoröhren, SiO2, u.a.) in eine Polymermatrix eröffnet ein weites Feld die Eigenschaften des Nanokomposites anwendungsspezifisch zu beeinflussen. Dabei spielt neben vielen Faktoren, wie chemischen und physikalischen Eigenschaften, Geometrie und Funktionalisierbarkeit der Nanopartikel, die bei guter Dispergierung extrem große Grenzfläche zwischen Nanofüllstoff und Matrix eine entscheidende Rolle. Die Zusammenhänge zwischen Morphologie, Grenzfläche (Füller-Polymer-Wechselwirkungen) und makroskopischen Eigenschaften der Nanokomposite sind Gegenstand der Forschung und tragen zu einer gezielten Auswahl der Einzelkomponenten als auch zur Optimierung von Verfahren und Prozessen zum Einbringen der nanoskaligen Füllstoffe in die Matrix bei.

In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden wird der Einfluss der Verarbeitung (Spritzgussbedingungen) auf die Füllstoffdispergierung und -verteilung sowie der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von mit Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verstärkten Polyolefinen untersucht. Hier reichen oft wenige Gewichtsprozente der CNTs aus, um eine antistatische Wirkung bzw.  elektrische Leitfähigkeit von nichtleitenden Polymeren zu erreichen. Neben den elektrischen Eigenschaften ist die Optimierung der mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und vor allem der Bruchzähigkeit das Ziel der Untersuchungen. Des Weiteren werden Blockcopolymere mit Schichtsilikaten modifiziert, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.

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Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • B. K. Satapathy, M. Ganß, P. Pötschke, R. Weidisch: Stress Transfer and Fracture Mechanisms in Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Nanocomposites In "Optimization of Polymer Nanocomposite Properties", Ed. Vikas Mittal, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; First Edion: Januar 2010, ISBN-10: 3527325212
  • M. Thunga, A. Das, L. Häußler, R. Weidisch, G. Heinrich: Preparation and properties of nanocomposites based on PS-b-(PS/PB)-b-PS triblock copolymer by controlling the size of silica nanoparticles with electron beam irradiation. Composites Science and Technology 2010, 70 (2), 215-222.
  • M. Ganß, B. K. Satapathy, M. Thunga, R. Weidisch, K. Knoll: Molecular-Weight-Controlled Brittle-to-Semiductile-to-Ductile Transition in S-(S/B)-S Triblock Copolymers. Macromolecular Materials and Engineering 2010, 295, 178–188.

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  • K. Knoll, R. Weidisch: Blends of styrene/butadiene block copolymers, US Patent 2009, 7524899
  • M. Ganß, B. K. Satapathy, M. Thunga, U. Staudinger, R. Weidisch, D. Jehnichen, J. Hempel, M. Rettenmayr, A. Garcia-Marcos, H. H. Goertz: Morphology and mechanical response of S–B star block copolymer – Layered silicate nanocomposites. European Polymer Journal, 2009, 45 (9), 2549-2563.
  • M. Thunga, B. K. Satapathy, R. Weidisch, M. Stamm, J. U. Sommer, K. Knoll: Influence of chain architecture on phase behavior of styrene-(styrene/butadiene)-styrene triblock copolymers and their binary blends. European Polymer Journal, 2009, 45, 537-549.
  • R. Schlegel, D. Wilkin, Y. Duan, R. Weidisch, G. Heinrich, D. Uhrig, J.W. Mays, H. Iatrou, N. Hadjichristidis: Stress softening of multigraft copolymers. Polymer 2009, 50 (26), 6297-6304.
  • Y. Duan, M. Thunga, R. Schlegel, K. Schneider, E. Rettler, R. Weidisch, H. W. Siesler, M. Stamm, J. W. Mays, N. Hadjichristidis: Morphology and Deformation Mechanisms and Tensile Properties of Tetrafunctional Multigraft Copolymers. Macromolecules 2009, 42, 4155-4164S. D. Ambrose, S. P. Gido, R. Weidisch: Diaphonic Acoustic Transducer Coupler and Ear Bud, US Patent Application 2009 20090028356

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  • M. Thunga, R. Schlegel, U. Staudinger, Y. Duan, R. Weidisch, G. Heinrich, J. Mays, N. Hadjichristidis: Thermoplastic elastomers on the basis of multigraft and block-double-graft copolymers and electron beam irradiation. Kautschuk Gummi Kunststoffe, 2008, 11, 597-605.
  • M. Ganß, B. K. Satapathy, M. Thunga, R. Weidisch, P. Pötschke, D. Jehnichen: Structural interpretations of deformation and fracture behavior of polypropylene/ multi-walled carbon nanotube composites. Acta Materialia 2008, 56, 2247-2261.
  • U. Staudinger, R. Schlegel, R. Weidisch, J. Fritzsche, M. Klüppel, G. Heinrich, Jimmy W. Mays, D. Uhrig, N. Hadjichristidis: Interpretation of hysteresis behaviour of PI–PS multigraft copolymers by adapting to the dynamic flocculation model. European Polymer Journal, Volume 44, Issue 11, November 2008, Pages 3790-3796.
  • Rinker, M.;. Zahlen, P.C.; Schäuble, R., Damage and Failure Progression of CFRP Foam-core Sandwich Structures, Proceedings of the 8th International Conference on Sandwich Structures, Porto (Portugal), May 06 – 08, 2008
  • Rinker, M.; Gutwinski, M.; Schäuble, R., Experimental and Theoretical Investiga-tion of Thermal Stress in CFRP Foam-core Sandwich Structures, Proceedings of the 13th European Conference on Composite Materials, Stockholm (Sweden), June 02 - 05, 2008
  • Y. Duan, E. Rettler, K. Schneider, R. Schlegel, M. Thunga, R. Weidisch, H. W. Siesler, M. Stamm, J. W. Mays, N. Hadjichristidis: Deformation Behavior of Sphere-Forming Trifunctional Multigraft Copolymer. Macromolecules 2008, 41, 4565-4568.

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  • B. K. Satapathy, R. Weidisch, P. Pötschke, A. Janke: Tough-to-brittle transition in multiwalled carbon nanotube (MWNT)/ Polycarbonate nanocomposite. Composite Science and Technology, 2007, 67, 867-879.
  • M. Ganß, B. K. Satapathy, M. Thunga, R. Weidisch, P. Pötschke, A. Janke: Temperature Dependence of Creep Behavior of PP-MWNT Nanocomposites. Macromolecular Rapid Communication, 2007, 28, 1624-1633.
  • M. Thunga, U. Staudinger, B. K. Satapathy, R. Weidisch*, M. Abdel-Goad, A. Janke, K. Knoll: Influence of molecular architecture of S-(S/B)-S triblock copolymers on rheological properties. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, 2006, 44, 2776-2788.
  • M. Ganß, B. K. Satapathy, M. Thunga, R. Weidisch, P. Pötschke, A. Janke: Temperature Dependence of Creep Behavior of PP-MWNT Nanocomposites. Macromolecular Rapid Communication, 2007, 28, 1624-1633.
  • U. Staudinger, B. K. Satapathy, M. Thunga, R. Lach, R. Weidisch, K. Knoll: Influence of Phase Miscibility and Morphology on Crack Resistance Behaviour and Kinetics of Crack Propagation of Nanostructured Binary Styrene-(Styrene/Butadiene)-Styrene Triblock Copolymer Blends. Acta Materialia, 2007, 55, 5844-5858.

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