Characterisation of the influence of cooling rates on structure and properties of dynamic vulcanizates

Abstract

Dynamische Vulkanisate gehören zur Gruppe der Thermoplastischen Elastomere und zeigen sowohl thermoplastische als auch elastische Eigenschaften. Sie besitzen eine thermoplastische Matrix, in welcher vernetzte Elastpartikel mit Dimensionen im Mikrometerbereich eingelagert sind. Diese Elastphase bildet jedoch den größten Phasenanteil und ist somit eigenschaftsbestimmend im festen Zustand. Die thermoplastische Matrix ermöglicht ein thermoplastisches Verarbeiten durch Spritzgießen, Extrusion etc.. Während dieser Verarbeitungsprozesse sind die dynamischen Vulkanisate hohen Kühlraten ausgesetzt, welche einen Einfluss auf Morphologiebildungsprozesse, vor allem des thermoplastischen Matrixmaterials Polypropylen und damit letztlich auf dessen Eigenschaften, ausüben. Um Prozessbedingungen zu simulieren und ihren Einfluss auf das Kristallisationsverhalten und die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen, wurden Intensivkühlexperimente durchgeführt, bei denen definierte Kühlraten von bis zu 1000 K/s erreicht wurden. Untersucht wurden die dynamischen Vulkanisate PP/EOC 30/70p und PP/EPDM 30/70p peroxidisch vernetzt sowie PP/EPDM 30/70r mit Phenolharz vernetzt ebenso wie deren Grundkomponenten Polypropylene, Ethylene-1-Okten-Copolymer und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer. Außerdem wurden das Thermoplast-Elast-Verhältnis und die Vernetzermenge variiert, um festzustellen, inwieweit diese Änderungen die Kühlraten - Morphologiebeziehung beeinflusst. Struktur und Morphologie wurden mittels Licht- und Rasterkraftmikroskopie sowie der Röntgenweitwinkelstreumethode untersucht. Das thermische Verhalten wurde mittels dynamischer Differenzkalorimetrie und dynamisch mechanisch thermischer Analyse getestet. Die mechanischen Eigenschaften wurden durch Mikrohärteuntersuchungen und Miniaturzugprüfung bestimmt. Durch FTIR - rheooptische Messungen wurde das Orientierungsverhalten der unterschiedlichen Phasen analysiert.

Dynamic vulcanisates are thermoplastic elastomers combining thermoplastic and elastic properties. These compounds consist of a thermoplastic matrix containing small rubber particles, forming the major weight content, and are as such responsible for the typical rubber-elastic behaviour of the blend. The thermoplastic matrix allows processing by extrusion, injection moulding, and calendering. During processing dynamic vulcanisates are exposed to high cooling rates, which are known to have an influence on the morphology formation especially in semi-crystalline polymers such as polypropylene. In order to simulate processing conditions and to study their influence on crystallisation and morphological phase distribution of dynamic vulcanisates intensive cooling experiments, reaching defined cooling rates up to 1000 K/s, were performed on the dynamic vulcanisates, PP/EOC 30/70 and PP/EPDM 30/70 peroxidic crosslinked as well as PP/EPDM 30/70 crosslinked by phenolic resin, and their pure components, isotactic polypropylene, polyethylene-co-1-octene, ethylene-propylene-diene-rubber. Thermoplast - rubber - composition and amount of crosslinking agent have been varied in order to see how these changes influence the cooling rate - morphology relatiponship. Structure and Morphology have been characterized by optical and atomic force microscopy as well as wide-angle x-ray diffraction. Thermal behaviour has been tested by differential scanning calorimetry and dynamic mechanical analysis. Mechanical properties have been determined by microhardness and minitiature tensile testing. By means of FTIR rheooptical analysis the orientation behavior of the different phases was determined.