Die Entwicklung vernetzbarer Polyolefinblends und deren Verarbeitung zu schmelzgesponnenen Elastomerfasern

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Generierung innovativer Polymer-legierungen vorgestellt, die aus silanvernetzbaren Ethylen/Octen-Copolymeren als kontinuierliche Matrix, und einem Polyester oder Polyesterelastomer sowie dem nanoskaligen Füllstoff pyrogene Kieselsäure (Aerosil) als sekundäre Komponente bestehen. Diese neu entwickelten Materialien werden zur Herstellung innovativer elastischer Fasern und Fäden eingesetzt. Durch die Silanvernetzung entsteht ein dreidimensionales Netzwerk in der Polymermatrix, wobei unter Zugabe eines Haftvermittlers die disperse und die kontinuierliche Phase kovalent miteinander verknüpft werden. Daraus resultiert eine bemerkenswerte Verbesserung der Eigenschaften der Elastomere bzw. der daraus hergestellten Elastomerfasern.

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Silanfunktionalisierungsverfahren zur Pfropfung von Organosilanen auf die Molekülketten des EO-Copolymers. In Bezug auf die rheologischen Eigenschaften und die damit verbundene Schmelzspinnbarkeit der gepfropften EO-Copolymere sowie hinsichtlich der Elastizität, Wärmeformbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften der vernetzten EO-Copolymeren werden die Pfropfungs- und Vernetzungsrezeptur entwickelt und optimiert. Die Optimierung der Pfropfungsrezeptur führt gleichzeitig zu hinreichenden Gelgehalten und Vernetzungsdichten, die sich vorteilhaft auf die Wärmeformbeständigkeit und den irreversiblen Dehndeformationsanteil auswirken, weil die generierten Polymerkettenradikale primär mit dem Organosilan und kaum mit sich selbst reagieren.

Unter Zugrundelegung des zum Schmelzspinnen geeigneten, silangepfropften Stoffsystems wird die Generierung der neuartigen Blends unter Einbeziehung sekundärer Blendkomponenten im Rahmen eines Einstufenprozesses durchgeführt. Als Aufbereitungsaggregat kommt ein gleichsinnig drehender, dichtkämmender Zweischneckenextruder zum Einsatz. Um die Wechselwirkung zwischen dem silanvernetzbaren EO-Copolymer und der sekundären Komponente zu verbessern, wird dem Blendsystem im Rahmen des Compoundierschritts ein Haftvermittler zuaddiert. Die generierten Polymerlegierungen werden bezüglich ihrer mechanischen, rheologischen und thermischen Eigenschaften sowie hinsichtlich der generierten Morphologie umfassend charakterisiert. Im Vergleich zu reinen EO-Copolymeren weisen die modifizierten Polymerlegierungen als wesentliche Vorteile höhere Einsatztemperaturen, verbesserte mechanische Eigenschaften, eine geringere Ölquellung sowie reduzierte Schrumpfwerte auf.

Im weiteren werden die Strömungsvorgänge der Polymerschmelze in den Spinndüsenbohrungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode beschrieben. Auf der Grundlage numerischer Simulationsergebnisse wird die Spinndüsengeometrie hinsichtlich fahrbarem Masse-durchsatz und der erzeugten Filamentqualität optimiert.

This thesis describes a new processing technique for the generation of innovative polymer alloys consisting of silane-grafted ethylene/octene copolymers as continuous matrix and a polyester or a polyester elastomer or a nano-scaled filler pyrogene silicon dioxide (Aerosil) as secondary component. These compounds are used for the production of innovative elastomer fibers. By silane crosslinking a three-dimensional network in the polymer matrix is developed. The disperse phase and the continuous phase are covalently connected by addition of coupling agent. The compound and the elastomer fiber properties are improved by silane crosslinking.

The first part of this thesis deals with silane functionalization of EO-copolymers. With regard to the rheological properties and the melt spin ability of the EO-copolymer grafted with silane as well as elasticity, heat resistance and mechanical properties of the crosslinked EO-copolymers the silane grafting formulation is developed and optimized. The optimized grafting formulation leads to an adequate crosslinking degree, that has an improving effect on the elasticity and the heat resistance.

The silane grafting of EO-copolymers and the generation of the new crosslinkable polymer alloys from silane grafted EO-copolymers and secondary components were carried out using a co-rotating twin-screw extruder in a single-stage process. In order to reinforce interaction of continuous and disperse phases a coupling agent can be used. The properties of the generated polymer alloys were characterized by mechanical, rheological and thermal testing procedures as well as morphology analysis. The modified polymer alloys show higher operating temperature ranges, improved mechanical properties, low oil swelling values as well as reduced shrinkage values in comparison with the EO-copolymers crosslinked by silane.

In addition flow processes of the polymer melt in the spin die bores are simulated by means of finite element methods. On the basis of this numerical simulation the spin die geometry is optimized regarding the melt spin output and the produced filament quality.