Kristalline Strukturen in der Kunststoff-Verarbeitung

Bekanntlich bedeutet Kunststoffverarbeitung immer, dass das geschmolzene Material bei der Formfüllung oder einem anderen Prozess deformiert wird, wobei die Strömung eine dominante Rolle spielt. Erstarrung wird durch einen Kühlvorgang erzielt, in welchem Polymere mit einer regelmäßigen molekularen Struktur kristallisieren. Auf diese Weise erhält man die unterschiedlichsten inhomogenen Strukturen, die die Qualität des Produktes bestimmen. Tatsächlich sind die Strömungsgefälle und die Abkühlgeschwindigkeiten in Wandnähe größer als in der Mitte der Form. Und es ist reichlich bekannt, dass der Einfluss der Strömung auf die erhaltene Morphologie enorm ist. Es hat zwei Routen zur Erforschung der Kinetik der durch Strömung induzierten Kristallisation gegeben. Bei der einen Route, die in Linz erfunden wurde, kam kurzzeitig auferlegte Strömung zum Einsatz. Bei diesem Prozess wurde kraftvolle Scherung oder Dehnung kurzfristig bei einer Reihe von ausgewählten Temperaturen angewandt. Der Erfolg dieser Methode ist darauf begründet, dass die während der Strömung gebildeten Mikrostrukturen (Keime, fadenförmige Vorläufer: Shishs) ziemlich stabil sind. Bei den angewandten Temperaturen sind ihre Relaxationszeiten um mehrere Größenordnungen länger als jene der freien oder verschlauften Moleküle. Dies bedeutet, dass nach dem Stillstand der Strömung sekundäre Strukturen, die für den vorhergegangenen Keimbildungsprozess charakteristisch sind und die unter dem Mikroskop sichtbar werden, gemächlich wachsen können. Bei der zweiten Route wird die Strömung aufrecht erhalten, bis die Viskosität der Schmelze einen mehr oder weniger plötzlichen Anstieg verzeichnet (Gelbildung etc.). Wegen experimenteller Randbedingungen wurden in quantitativen Experimenten bisher nur relativ geringe Strömungsgeschwindigkeiten angewandt. Diese sind natürlich nicht sehr charakteristisch für Verarbeitungsprozesse. Spinnen aus der Schmelze wäre ein gutes Beispiel. Leider ist dieser Prozess aber ein zu rascher und nicht isothermer Prozess. Das Ziel der gegenwärtigen Forschung ist die Aussöhnung zwischen den anscheinend widersprüchlichen Ergebnissen der beiden Forschungsrichtungen. Im Besonderen soll das Augenmerk auf die Morphologie, die beim zweiten Prozess auftritt, gerichtet werden.

Das Ziel der Forschungsarbeit in P 21228-N14 besteht letztlich in einer Verbesserung der Qualität von Kunststoff-Artikeln. Es gibt zwei Zweige der Industrie, die sich für unser Projekt interessieren. Zum einen hat man die chemische Industrie: Hersteller von Polymeren = Makromolekülen = langen Kettenmolekülen. Der andere Zweig umfasst die Verarbeiter, wobei vor allem die Hersteller von Verarbeitungs-Maschinen von Bedeutung sind. Man denke an Spritzguss-Maschinen, Extruder, Folienblas-Anlagen, Tiefzieh-Anlagen oder Faserspinn-Anlagen. Es handelt sich in allen Fällen um die Formgebung, die beim Erstarren der Schmelze fixiert wird. Die Aufzählung dieser Maschinen illustriert die Vielseitigkeit der Anwendungen. Es gibt keine andere Gruppe von Materialien, die eine solche Flexibilität aufweist. Von Gartenmöbeln über Rohre aller Größenordnungen bis zu Mini-Bauteilen für die elektronische Industrie sind alle Anwendungen gegeben. Dabei sind die Korrosions-Beständigkeit und die Isolationsfähigkeit in der Elektrizität wichtige Eigenschaften. Bei großen Formteilen spielt auch das geringe Gewicht (verglichen mit Stahl oder Beton) und die geringe Sprödigkeit eine große Rolle. Man denke dabei an die harschen Bedingungen, unter denen z.B. Rohre mit großen Durchmessern in der Erde verlegt werden. Man vergesse auch nicht die wichtige Rolle bei der Verpackung von Lebensmitteln. Warum ist in diesem Zusammenhang die kristalline Struktur von Wichtigkeit? Der Grund dafür ist, dass die meisten gebräuchlichen Polymeren bei der Abkühlung kristallisieren. Dieser Vorgang wird dabei maßgeblich durch den Formgebungsprozess beeinflusst. Die entstehenden kristallinen, meist stark orientierten Strukturen können in hohem Maße die Eigenschaften des Produktes beeinflussen. So erhält man eine erhöhte Zähigkeit in der vorhergehenden Strömungsrichtung, aber Sprödigkeit senkrecht dazu. Es treten auch im Endprodukt Verzugserscheinungen auf, die eine Verminderung der Formbeständigkeit ergeben. Auch die Korngröße, die ganz allgemein für die Schlagzähigkeit verantwortlich ist, wird entscheidend beeinflusst. Im Vergleich zu Metallen ist die Fähigkeit zur Kristallisation bei Polymeren jedoch gering. Da Makromoleküle als statistische Knäuel vorliegen, finden sie nur schwer Partnermoleküle, zu denen sie wenigstens stellenweise passen. Meist ist es der Fall, dass an der Berührungsstelle die abweichenden Rotationzustände um die chemischen Bindungen keine Eingliederung erlauben. Aber nur, wenn diese Eingliederung möglich ist, kann das Einschnappen in ein entstehendes Kristallgitter erfolgen. Während der Scherung berühren sich Makromoleküle, die sich in benachbarten Schichten bewegen, regelmäßig. Meistens bleiben diese Kontakte jedoch ohne Folgen. Nur wenige der momentanen Kontakte führen zum erwähnten Einschnappen. Dies zeigen unsere Experimente. Bei unveränderter geringer Schergeschwindigkeit ist nämlich die Dauer der Scherung essentiell. Offenbar zählt die Zahl der Einschnapp-Vorgänge. Bei andauernder Scherung werden zwei Gebiete durchlaufen. Bei relativ kurzer Scherung erhält man sogenannte punktförmige Keime. Wird die Dauer der Scherung jedoch verlängert, dann kommt man ins Gebiet, wo fadenförmige Keime entstehen. Die Dichte der durch das Einschnappen entstehenden Vernetzungspunkte ist auf jeden Fall gering. So bilden sich lokale lockere Netzwerke, die sich leicht verstrecken lassen. Es ist klar, dass die Fraktion der längsten Moleküle, die sich in der Probe befindet, in dieser Hinsicht besonders effektiv ist. Wenn diese fadenförmigen Keime bei hohen Temperaturen (um 200C bei Polypropylen) entstehen, dann relaxieren sie nach Beendigung der Strömung. Nur nach sofortigem Abschrecken werden hoch orientierte Strukturen gebildet, die als Folge von sekundärer Kristallisation den Raum erfüllen. Dieses Bild entstand auf Grund von zurückliegenden Erfahrungen und von Experimenten, die mit Hilfe eines neuen Apparates ermöglicht wurden. Dieser Apparat wurde im Laufe von mehr als vier Jahren in Linz entwickelt. Dieser Apparat ermöglicht eine bisher unerreichte homogene Scherung von 3200.