Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3659
Main Title: Über die Wirkung thermoplastischer Elastomere als Additive zur Unterdrückung des sharkskin-Effekts
Translated Title: Mechanism of sharkskin suppression by thermoplastic elastomers as polymer processing aids
Author(s): Himmel, Tobias
Advisor(s): Wagner, Manfred H.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Bei der Verarbeitung von Polyethylen in Extrusionsanlagen ist der sharkskin-Effekt als erste Ausprägung des Schmelzebruchs limitierender Faktor der Produktionsgeschwindigkeit. Herkömmliche Additive, um den Beginn des sharkskin-Effekts zu höheren Extrusionsgeschwindigkeiten verschieben zu können, basieren auf Fluorpolymerverbindungen, die einen hohen Materialpreis besitzen und ökologisch nicht unbedenklich sind. Als Alternative sind von Kulikov (2005) thermoplastische Elastomere (TPE) vorgeschlagen worden. Deren Anwendbarkeit hat Müller (2009) dargestellt. Aus beiden Arbeiten folgt eine Klassifizierung der Effektivität unterschiedlicher TPE-Typen, die bei beiden jeweils in Ansätzen diskutiert wird. Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Frage, worauf die experimentell bestimmten Effektivitätsunterschiede der thermoplastischer Elastomere als Additive zur sharkskin-Unterdrückung zurückzuführen sind. In rheologischen Untersuchungen ist die Gleitgeschwindigkeit einiger TPE-Typen gegen Stahl und die Gleitgeschwindigkeit in der polymeren Grenzfläche zwischen Polyethylen (PE) und TPE bestimmt worden. Die TPE-Typen niedriger Viskosität zeigen dabei eine deutlich höhere Gleitgeschwindigkeit gegenüber Stahl. Im Gegensatz dazu liegt die Gleitgeschwindigkeit in der polymeren Grenzfläche viskositätsunabhängig in gleicher Größenordnung. In beiden Fällen sind die Gleitgeschwindigkeiten direkt proportional der aufgeprägten Schubspannung. Die Materialien wurden weiterhin durch Messungen der ersten Normalspannungsdifferenz charakterisiert. Die Messdaten konnten qualitativ richtig mit den empirischen Beziehungen von Laun (1978, 1986) beschrieben werden. Unterschiede in der Gleitgeschwindigkeit und Normalspannung erklären jedoch nicht die unterschiedliche Wirksamkeit in der Unterdrückung des sharkskin-Effekts. Über die Betrachtung der Grenzflächenspannung zwischen PE und TPE sowie der daraus resultierenden Dispersionsstruktur, wie es bereits von Pötschke et al. (1997, 2002) beschrieben wurde, kann die unterschiedliche Effektivität der TPE-Typen letztlich erklärt werden. Im Ergebnis wird gezeigt, dass abhängig von der chemischen Struktur der Weichsegmente des TPE die Dispersionsstruktur unterschiedlich ist. Dabei zeigen TPE auf Polyester- oder Silikonbasis grobe Strukturen mit relativ großen Tropfen. Begründet ist dies durch den zweiphasigen Aufbau der TPE, in denen Hart- und Weichsegmente nebeneinander vorliegen. In der Schmelze kommt es zu einer Phasentrennung im TPE und im Kontakt mit PE lagern sich die Weichsegmente aufgrund unterschiedlicher Oberflächenspannungen in der Phasengrenzfläche an und bestimmten somit deren Eigenschaften. In Übereinstimmung mit den Erkenntnissen von Oriani und Chapman (2003) sind Additive zur sharkskin -Unterdrückung umso effektiver, je gröber die Dispersionsstruktur der Additivtropfen in der Polymermatrix sind. Anhand der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen lässt sich die Wirkung thermoplastischer Elastomere als Additive zur sharkskin -Unterdrückung umfassend erklären. Die Unterschiedliche Wirksamkeit beruht somit auf der Zweiphasigkeit der TPE und den aus der chemischen Basis folgenden unterschiedlichen Grenzflächenspannungen in Mischung mit PE infolge derer sich unterschiedliche Dispersionsstrukturen einstellen.
The extrusion rate of polyethylene is limited by melt fracture. The first level of fracture is a surface defect called sharkskin. Common polymer processing aids based on fluoropolymers shift the onset of sharkskin to higher extrusion rates. These materials are expensive and carry some environmental concerns. Alternatively Kulikov (2005) suggested thermoplastic elastomers (TPE) for sharkskin suppression. Müller (2009) showed the usability for some TPEs as polymer processing aids. Both authors gave an experimental classification according to the efficiency of different TPE types for sharkskin suppression. The aim of the present work is to find the reason for the different efficiencies of TPEs for sharkskin suppression. The slip velocity of some TPE types against steel and the slip velocity in a polymeric interface between polyethylene (PE) and TPE were evaluated rheologically. Thereby, low viscosity types of TPE show a higher slip velocity against steel. The determined slip velocities were viscosity independent and of the same order of magnitude in the polymeric interface. In both cases the slip velocity is directly proportional to the applied shear stress. For further material characterization, measurements of first normal stress difference were done. The data correpond well with the empirical rules proposed by Laun (1978, 1986). Neither differences in silp velocities nor in normal stresses explain the different efficiency of TPEs for sharkskin suppression. It is the interfacial tension between PE and TPE that shows to be the reason for the different efficiency in sharkskin suppression. As described by Pötschke et al. (1997, 2002), the chemical structure of the soft segments in TPEs lead to different grades of dispersion of TPE droplets in a PE matrix. TPEs based on polyester or silicone have a coarse structure with big droplets. This is due to the two phase character of the TPEs, where hard and soft segments are located next to each other. Consequently, a phase segregation occurs in the TPE in the polymer melt. The soft segments aggregate in contact to PE driven by surface tension at the interface and influence their properties. In agreement with the work of Oriani and Chapman (2003), the efficiency of polymer processing aids for sharkskin suppression increases with droplet size. Thus, the efficiency of TPEs as polymer processing aids for sharkskin suppression follows from the phase segregation inside the TPE. The interfacial tension varies according to the chemical structure of the soft segments of the TPE. It is shown that the different interfacial tensions give different dispersion morphologies, leading to the conclusion that a coarse dispersion structure results in a better efficiency of the TPE for sharkskin suppression.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39085
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3956
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3659
Exam Date: 14-Feb-2013
Issue Date: 20-Aug-2013
Date Available: 20-Aug-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Additive
Polymerverarbeitung
Rheologie
Sharkskin
Thermoplastische Elastomere
Polymer processing
Polymer processing aids
Rheology
Thermoplastic elastomers
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Series: Schriftenreihe Kunststoff-Forschung
Series Number: 76
ISBN: 978-3-7983-2515-9
ISSN: 0174-4003
Notes: Zugleich gedruckt veröffentlicht im Universitätsverlag der TU Berlin unter der ISBN 978-3-7983-2514-2.
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