FH Bielefeld
University of
Applied Sciences

Strukturbeschreibung von Polypropylen

Polypropylen, Kristallisation, Kristallmodifikation, alpha-Modifikation, beta-Modifikation

 

Fachhochschule Bielefeld
Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik
Interaktion 1
33619 Bielefeld

 

Projektbeteiligung

Dr.-Ing. Thorsten Bartel (TU Dortmund, Institut für Mechanik)

 

Laufzeit
01.12.2020 – 30.11.2022

 

Projektförderung
FH Bielefeld, interner Forschungsfonds für Neuberufene

 

Kurzbeschreibung
Polypropylen ist ein etablierter Massenkunststoff und gehört 2020 mit einem Gesamtanteil von ca. 20 %, nur Polyethylen hat eine höhere Nachfrage, zu dem zweitwichtigsten verarbeiteten Kunststofftyp, mit einer weltweiten Nachfrage von ca. 62,1 Mio. t.

In Abhängigkeit von den Polymerisationsbedingungen kann Polypropylen als (isotaktischer) iPP-Typ Kristallisationsgraden von 60% bis 70 % erreichen. Der Kristallisationsgrad hat dabei Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Polymers. Je höher der erzielte Kristallisationsgrad ist desto größer ist auch die Zugfestigkeit, E-Modul, Steifigkeit und Härte des Polypropylens. Die mechanischen Eigenschaften werden zu dem von der vorhanden Kristallmodifikation im Polypropylen beeinflusst, da sich drei unterschiedliche Kristallmodifikationen beim Kristallisationsprozess bilden können. In konventionellen thermoplastischen Verarbeitungsprozessen entsteht zu 95 % die α-Modifikationen. Die Bildung der β-Modifikation wird durch mechanische vorbelastet der Schmelze, Nukleierungsmittel und hohe Abkühlgradienten begünstigt. Die Bildung ϒ-Modifikation wird durch die geltenden Kristallisationsbedingungen in der Fertigung unterbunden und dadurch nicht weiter betrachtet.

Aus dem oben Aufgeführten Punkten wird ersichtlich, dass eine genaue Strukturbeschreibung des Polypropylens wichtig ist, um die Kristallisationsprozesse des Polymers beschreiben zu können. Dafür wird im ersten Schritt ein geeignetes Polypropylen ausgewählt, dass frei von Additiven und Füllstoffen ist, da diese den Kristallisationsprozess beeinflussen können. Anschließend wird das Polypropylen im Spritzgießprozess mit unterschiedlichen Prozessparametern zu Probekörpern verarbeitet. Für die Untersuchung der Proben wird zum einen die thermische Analyse mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) eingesetzt und zum anderen ein bildgebendes Verfahren via Dünnschnitttechnik und Polarisationsmikroskop angewendet. Mit der DSC werden die Proben auf ihre Kristallinität, die α- und β-Modifikationsverteilung und die Kristallgrößen untersucht. Mit der Dünnschnitttechnik und der anschließend Analyse mit dem Polarisationsmikroskop werden dann die strukturellen Beschaffenheiten der Polymermatrix beschrieben. Die Daten werden aufbereitet und damit Aussagen über Sphärolithtyp (α-, β-Modifikation), Ausrichtung, Geometrie, sowie Verteilung und Position der Kristallstrukturen getroffen. Im zweiten Schritt werden dann gezielt Nukleierungsmittel in die Schmelze eingebracht, um damit gezielt die Kristallmodifikation zu beeinflussen und zu untersuchen.