Elastomer / Schichtsilikat Komposite : Einfluss der Füllstoffstruktur auf mechanische, dynamische und Gasbarriere-Eigenschaften

Füllstoffe sind aus polymeren Werkstoffen nicht mehr wegzudenken, denn meist dienen sie nicht nur der Kostenersparnis, sondern der Eigenschaftsverbesserung, insbesondere der Verstärkung. Dabei spielen deren Dispergierung und die Füllstoffnetzwerkbildung eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten Füllstoffe für Kautschuke sind Ruß und Kieselsäure. Seit einigen Jahren werden bei Konstruktionswerkstoffen und auch bei Elastomeren vermehrt Schichtsilikate eingesetzt. Wenn erreicht wird, diese in der Polymermatrix in einzelne Schichten zu exfolieren, sinkt die Perkolationsschwelle aufgrund des hohen Aspektverhältnisses gegenüber isotropen Füllstoffen stark ab. In dieser Studie wurden verschiedene Elastomer / Schichtsilikat Komposite hergestellt. Dabei wurde die Füllstoffstruktur durch den Einsatz verschieden modifizierter Schichtsilikate sowie unterschiedlicher Mischungsbedingungen gezielt variiert. Durch TEM-Analyse, bei der jeweils die Dicke und die Länge der Füllstoffpartikel gemessen wurden, und SAXS-Untersuchungen, die Rückschlüsse auf den Schichtabstand zulassen, war eine exakte Bestimmung der Füllstoffstruktur möglich. So konnte der Einfluss der Füllstoffstruktur auf die mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Reißdehnung, Reißspannung und Hysterese), die dynamisch-mechanischen Eigenschaften (temperatur- und deformationsabhängig) sowie die Gasbarriere-Eigenschaften analysiert und mit Kieselsäure-gefüllten Kompositen verglichen werden. Besonderes Augenmerk galt dabei der Ermittlung der Füllstoffperkolationsschwelle. Diese liegt umso niedriger, je höher das Aspektverhältnis des Füllstoffes ist. Unterhalb dieser befindet man sich im Bereich hydrodynamischer Verstärkung. Für den Excess-Modul, der auf den Füllstoff zurückzuführen ist, ergibt sich dabei ein linearer Zusammenhang, in den das Aspektverhältnis und die spezifische Oberfläche des Füllstoffs eingeht. Wird die Perkolationsschwelle überschritten, baut sich ein Füllstoffnetzwerk auf, das die Verstärkung und die Versagenswerte entscheidend erhöht. Allerdings wird auch die Hysterese durch Orientierungsprozesse der Schichtsilikate deutlich vergrößert. Bei den DMA-Messungen äußert sich dies in einem zusätzlichen Relaxationsprozess oberhalb des Glasübergangs. Dieser Prozess ist auf die Relaxation des Füllstoffnetzwerkes zurückzuführen. Er verschiebt sich mit zunehmender Dispergierung des Füllstoffs und steigendem Aspektverhältnis zu höheren Temperaturen. Das Füllstoffnetzwerk ist auch für die starke Deformationsabhängigkeit des dynamischen Dehnmoduls E’ (Payne-Effekt) verantwortlich. Auch bei den Permeationsmessungen zeigt sich, dass die Barriereeigenschaften sowohl mit steigendem Füllstoffgehalt als auch mit erhöhtem Aspektverhältnis verbessert werden. <br>Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Frage, wie das Schichtsilikat die Kettendynamik eines interkalierten Polyisoprens beeinflusst. Dies wurde mittels dielektrischer Spektroskopie untersucht. Dazu wurde ein anionisch synthetisiertes dimethylamino-terminiertes Polyisopren durch Kationenaustausch in ein synthetisches Schichtsilikat eingequollen. Dadurch konnte gewährleistet werden, dass die Molmasse des Polyisoprens durch den Mischprozess nicht verändert wird. Dies ist wichtig, da die Normalmodenrelaxation stark molekulargewichtsabhängig ist. Dabei ergab sich eine Verschiebung von Normal- und Segmentalmodenrelaxation im Komposit zu tieferen Temperaturen.

Author dc:creator

• Schön, Frank

Contributors dc:contributor

• Gronski, Wolfram

• Schichtsilikat
• Barriere-Eigenschaften
• rubber
• nanocomposites
• layered silicate
• reinforcement
• barrier properties

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