Morphologie, Perkolations- und mechanisches Verhalten von schmelzegemischten isotaktischen Polypropylen-basierten/MWCNT-Kompositen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Struktur mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) sowie den Prozessbedingungen während des Heißpressens und Spritzgießens auf die Morphologie, das Perkolations- und mechanische Verhalten von isotaktischen Polypropylen-basierten/MWCNT-Kompositen. Komposite wurden auf der Basis von Maleinsäureanhydrid-modifiziertem isotaktischen Polypropylen (iPP-MSA) mit drei verschiedenen MWCNT-Materialien (0-5 Gew.%) schmelzegemischt. Die MWCNT-Modifizierung umfasste Kugelmahlen und reaktives Kugelmahlen des MWCNT-Ausgangsmaterials. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden mittels spektroskopischen und mikroskopischen Methoden, Röntgenstreuung, thermischer Analyse, Zugversuchen und Modellierung der Verstärkungswirkung der MWCNTs untersucht. Die Perkolationsschwellen und Verstärkungswirkung der MWCNTs rühren aus deren unterschiedlicher Länge und Primäragglomeratstruktur her. Die kristalline Morphologie des iPP-MSAs resultierte aus der Zugabe der MWCNTs und den angewandten Prozessbedingungen; sie dominierte das isotrope und anisotrope mechanische Verhalten der Komposite. Der makroskalige MWCNT-Dispergierzustand ergab sich aus der Größe ihrer Primäragglomerate und bestimmte die Duktilität der Komposite, wohingegen die Steifigkeit vordergründig von der MWCNT-Struktur abhing. Es wurde gezeigt, dass die MWCNT-Struktur sowie die Bedingungen während der Kompositverarbeitung die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der iPP-MSA/MWCNT-Komposite maßgeblich beeinflussen.

In the presented work the effect of the structure of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) as well as the processing conditions during compression and injection moulding on the morphology, percolation and mechanical behaviour of isotactic polypropylene-based/MWCNT composites was investigated. Melt mixed composites are composed of different MWCNT materials (0-5 wt.%) and a maleic anhydride-modified isotactic polypropylene (iPP-MA) matrix. MWCNT modification included ball milling and reactive ball milling of the as-synthesised MWCNT material. Structure-property-relations were studied by means of spectroscopic and microscopic methods, X-ray scattering, thermal analysis, tensile testing, and modelling of the MWCNT reinforcement effect. Percolation thresholds and reinforcement efficiency of the MWCNT materials originated from their different length and primary agglomerate structure. The crystalline morphology of the iPP-MA resulting from the incorporated MWCNTs and the applied processing conditions dominated the isotropic and anisotropic mechanical behaviour of the composites. Furthermore, the state of MWCNT macroscale dispersion stemmed from the size of their primary agglomerates and determined the ductility of the composites, whereas the stiffness was influenced by the MWCNT structure. In summary, it was shown that the MWCNT structure as well as the conditions during composite processing significantly determined the structure-property-relations in the iPP-MA/MWCNT composites.