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Main Title: Development of thermally stable nanofillers and their application in polyimide nanocomposites: synthesis, characterization, and properties
Translated Title: Entwicklung thermisch stabiler Nanofüllstoffe und deren Anwendungen in Polyimid-Nanocompositen: Synthese, Charakterisierung and Eigenschaften
Author(s): Chen, Yun
Advisor(s): Wagner, Manfred H.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ein Hauptgegenstand der Arbeit war die Synthese von organomodifizierten Schichtsilikaten, insbesondere Montmorilloniten (OMMTs), mit erhöhter thermischer Beständigkeit zur Herstellung thermoplastischer Hochtemperatur-Nanocomposite mit einer Polyimid-Matrix. Als Modifikatoren wurden aktivierte Diamine und Ammonium-, Pyridinium-, Phosphonium- und Immidazoliumsalze verwendet, die entweder eine hohe thermische Stabilität aufweisen, oder in ihrer Struktur der PI-Matrix ähneln. Die erreichten höheren thermischen Beständigkeiten wurden mittels Thermogravimetrie nachgewiesen. Für OMMTs die mit Immidazolium-Ionen ausgetauscht wurden konnte gezeigt werden, dass die thermische Zersetzung erst oberhalb von 300 °C beginnt, während dies bei kommerziellen Systemen i. d. R. bereits bei 180 bis 220 °C der Fall ist. Neben den selbst präparierten OMMTs wurden generell kommerzielle Montmorillonite, OMMTs, sowie Aluminiumoxide in Schichtanordnung oder als Einkristalle mit verschiedenen chemischen und Kristallstrukturen zum Vergleich herangezogen. Für die Herstellung der Nanocomposite wurde als PI-Matrix das kommerzielle Produkt ULTEM 1000 (General Electrics), das eine Verarbeitungstemperatur von 340 °C besitzt, gewählt. Zur Vorbereitung einer in situ Polymerisation von Nanocompositen wurde eine PI-Struktur über die klassische Zweischritt-Polyimidisierung erzeugt, die dem kommerziellen Produkt ähnelt. Die synthetisierten Polyimide haben höhere Molmassen und eine breitere Molmassenverteilung. Neben einigen Versuchen zu Nanocomposit-Gießfilmen wurden die PI Nanocomposite hauptsächlich über Schmelzeverarbeitung hergestellt. Die Gießfilme hatten einen Füllstoffgehalt von 3 Gew. % während die schmelzeverarbeiteten Composite 1,3 und 5 Gew. % Füllstoff enthielten und auf einem 18 mm Doppelschneckenextruder mit 200, 400 und 800 U/min hergestellt wurden. Die Prüfkörperherstellung (DIN 527 Typ 5A) erfolgte über Spritzguss. Sowohl Schichtsilikate als auch Aluminiumoxid-Nanofüllstoffe führten zu einer Erhöhung des Zugmoduls,während die Zugfestigkeit im Wesentlichen konstant blieb und die Reißdehung unterschiedliches Verhalten zeigte. In einigen Fällen, insbesondere mit rein aliphatisch substituierten Phosphoniumsalzen, konnte die Dehnung um mehr als 50 % erhöht werden. Mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie und Röntgenweitwinkelbeugung konnte in vielen Fällen die Tactoid-Bildung und teilweise Exfolierung nachgewiesen werden. Bei der Verarbeitung der Füllstoffe musste über Schneckendesign und Rotationsgeschwindigkeit ein Kompromiss zwischen Dispergierung und Abbau der Füllstoffe durch Scherkräfte gefunden werden. Geeignet modifizierte Phosphonium- und Immidazoliumsalze weisen gegenüber kommerziellen OMMTs eine erhöhte thermische Stabilität auf und erweisen sich als aussichtsreiche Kandidaten für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Polyimid-basierter thermoplastischer Matrixmaterialien.
Thermally stable organo-modified Montmorillonites (OMMTs) were synthesized for preparing polyimide (PI) nanocomposites. Organic surfactants such as activated diamines, ammonium-, pyridinium-, phosphonium- and imidazolium salts which either possess high thermal stability or have similar chemical structure with the PI matrix were applied for silicate organo-modification. The synthesized OMMTs showed both improved thermal stability (the weight loss of the imidazolium OMMT in TG analysis even starts above 300°C) and chemical compatibility. For comparison, both commercially available pristine and organo-modified silicates and aluminas with different chemical and crystal structures are also used for PI nanocomposites preparation. Due to the excellent processability and moderate mechanical properties, the commercially available ULTEM® 1000 resin was chosen as the PI matrix in this study. In order to obtain valuable reaction parameters for in situ polymerization of PI nanocomposites, PIs with ULTEM® 1000 structure were synthesized by the classic two-step polyimidization method. The synthesized PIs have higher molecular weights and a broader molecular weight distribution. PI nanocomposites were produced mainly by melt compounding and solvent casting methods. The solvent cast hybrid films have 3 wt% of nanofiller content, whereas the melt compounded PI nanocomposites were loaded with 1, 3, 5 wt% of nanofillers and extruded by using a twin screw extruder at 340 °C under screw rotation speeds of 200, 400, 800 rpm. According to our investigation, both silicate and alumina nanofillers could increase tensile modulus of the related PI nanocomposites effectively but with big variety in elongation at break. The addition of pristine layered silicates and aluminas show limited improvements in tensile modulus and greatly decreased elongation and impact resistance due to the big-sized nanofiller agglomerates. However, under optimum processing condition, highly exfoliated OMMTs (i. e. synthesized highly thermally stable phosphonium and imidazolium OMMTs) and unmodified single crystal aluminas could increase PI nanocomposite tensile modulus without big loss of elongation. Moreover, higher extruder screw rotation speed support the dispersion of nanofiller but accelerate the degradation of PI matrix due to the stronger shearing effects.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-23188
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2507
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2210
Exam Date: 14-Jul-2009
Issue Date: 3-Aug-2009
Date Available: 3-Aug-2009
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Alumina
OMMT
PI nanocomposite
Thermally stable nanofiller
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