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Rheology, processing and properties of polymer nanocomposites based on POSS and boehmite
Mohammed, Nabilah Adel
Zwei polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS), Oktaisobutyl POSS (Oib POSS) und Trisilanolphenyl POSS (Tsp POSS), wurden mit Polyethylen niederer Dichte (LDPE) und mit linearem Polyethylen niederer Dichte (LLDPE) auf einem Brabender Plastographen in der Schmelze gemischt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wurde der Einfluss der Mischtemperatur auf die Dispergierung der Oib POSS und Tsp POSS Nanopartikel in der PE Matrix untersucht. Agglomerate mit Größen von 5 bis 10 µm wurden in LDPE/Oib POSS Mischungen beobachtet, die bei 175 und 200°C hergestellt wurden. Die Größe der Agglomerate verringerte sich auf ungefähr 1 µm bei einer Mischtemperatur von 270°C, wenn Oib POSS teilweise schmilzt. Die Ergebnisse belegen, dass die Kompatibilität von LLDPE und Oib POSS größer ist als von LDPE und Oib POSS. Dagegen zeigen SEM Bilder von Nanocompositen mit Tsp POSS, dass sich Tsp POSS Agglomerate im Submikrometerbereich in allen Proben bildeten. Der Grad der Agglomerierung in LLDPE/Tsp POSS und LDPE/Tsp POSS Nanokompositen verringerte sich mit steigender Mischtemperatur bis zur Schmelztemperatur des Tsp POSS. Des Weiteren wurden dynamische scherrheologische Experimente durchgeführt, um das rheologische Verhalten der Nanokomposite zu untersuchen. Eine Verringerung der komplexen Viskosität wurde durch Zugabe von Oib POSS Nanopartikeln zu LDPE und LLDPE beobachtet. Die Abnahme der komplexen Viskosität von LDPE war bei einer Mischtemperatur von 270°C stärker ausgeprägt, während eine Zugabe von Tsp POSS die komplexe Viskosität erhöhte.
PP-, LLDPE- und LDPE-Nanokomposite mit Tsp POSS und Oib POSS wurden mittels eines Einschneckenextruders bei unterschiedlichen POSS-Gehalten hergestellt und deren Eigenschaften untersucht. Die Dehnuntersuchungen zeigten, dass der Zugmodul von PP, LLDPE und LDPE durch Zugabe von POSS Nanopartikeln verbessert wird, was aber von einer Abnahme der Zugfestigkeit begleitet ist. Die Bruchdehnung von PE wurde durch Zusatz von POSS verbessert, dagegen hängt die Bruchdehnung von PP von der Art des POSS ab.
Komposite von LLDPE und LDPE mit zwei Typen von Böhmiten mit unterschiedlichen Kristallitgrößen, BA40 und BA80, wurden mittels eines Einschneckenextruders hergestellt und anschließend untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Eigenschaften der PE/BA Komposite stark von der Art des Polyethylens abhängen, während es zwischen PE/BA40 und PE/BA80 Kompositen keine signifikanten Unterschiede gibt. Die komplexe Viskosität des LLDPE blieb nach Zugabe von BA Partikeln unverändert, im Falle des LDPE stieg sie an. Auch war die Kompatibilität von BA und LLDPE besser als von BA und LDPE. Dementsprechend verbesserte sich die Zugfestigkeit im Falle der LLDPE Komposite, aber verschlechterte sich für LDPE Komposite, währenddessen sich die Bruchdehnung bei beiden PE-Typen verbesserte.
Two different types of polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), octaisobutyl POSS (Oib POSS) and trisilanolphenyl POSS (Tsp POSS), were melt blended with low density polyethylene (LDPE) and linear low density polyethylene (LLDPE) at different processing temperatures on a Brabender plastograph. Scanning electron microscopy (SEM) was used to determine the effect of mixing temperature on the dispersion state of Oib POSS and Tsp POSS nanoparticles in PE matrices. Large agglomerates with sizes of 5-10 µm were observed in LDPE/Oib POSS blends prepared at 175°C and 200°C, but the size of the agglomerates was reduced to approximately 1µm when the nanoparticles were partially melted during processing at 270°C. The results indicate that the compatibility of LLDPE with Oib POSS is better than with LDPE. SEM images of Tsp POSS nanocomposites show that POSS nanoparticles form agglomerations of sub-micrometer sizes in all the samples. However, the level of agglomerations in LLDPE/Tsp POSS and LDPE/Tsp POSS nanocomposites is decreased with increasing the mixing temperature up to the melting temperature of Tsp POSS. Moreover, frequency sweep tests were carried out to study the rheological behavior of the nanocomposites. A decrease in the complex viscosity was observed by addition of Oib POSS nanoparticles to LDPE and LLDPE matrices. The reduction in the complex viscosity of LDPE was more pronounced at a mixing temperature of 270°C, while the addition of Tsp POSS increased the complex viscosity of PE.
Tsp POSS and Oib POSS nanoparticles were incorporated into PP, LLDPE and LDPE by use of a single screw extruder at different POSS contents, and the properties of the nanocomposites were investigated. From the tensile test results it is found that the tensile modulus of PP, LLDPE and LDPE is enhanced by addition of POSS nanoparticles, but this increase is accompanied by a reduction of the tensile strength. The flexural properties of PE are improved in the presence of POSS, whereas the flexural properties of PP depend on the type of POSS.
Composites of LLDPE and LDPE with two types of boehmite, BA40 and BA80, with different crystalline size were prepared using a single screw extruder, and their properties were investigated. It is found that the properties of PE/BA composites strongly depend on the type of polyethylene, while there is no significant difference between PE/BA40 and PE/BA80 composites. The complex viscosity of LLDPE is unchanged with addition of BA particles, while it increases in the case of LDPE. Also, the compatibility of BA particles with LLDPE is better than with LDPE. Accordingly, it was found that the tensile properties improve in the case of LLDPE composites, but decreases for LDPE composites, whereas the flexural properties are improved for both types of PE.
