"Fiber Sage" - Entwicklung eines generalisierten Werkstoffmodells für Hochleistungsfasern mit integrierten Nanopartikeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wesentlichen Erkenntnisse dieses Projekts sind: i) Die mechanischen Eigenschaften von Polymer-Nanokompositfasern können durch Nanopartikel massiv beeinflusst werden. Ob es zu signifikanten Änderungen tatsächlich kommt, ist allerdings nicht ohne weiteres vorhersagbar. Somit kann ein im Wesentlichen von Konzentration und Orientierungsverhalten der Nanopartikel abhängiges Werkstoffmodell im Rahmen dieses Forschungsvorhabens auf der Basis der vorliegenden Daten nicht erstellt werden. Insbesondere für die Polymernanokomposite mit 2D-Nanopartikeln (Schichtsilikate, Graphit) lassen sich aufgrund des hohen Orientierungsgrades der Nanoadditive keine signifikanten Abhängigkeiten der mechanischen Eigenschaften (abgesehen von den durch mechanische Verstreckung erreichbaren und hinreichend bekannten Änderungen) ausmachen. Die Analysen geben jedoch deutliche Hinweise, dass die Nanoteilchen die Polymerstruktur entlang der Faserachse verstärken und somit zu einer verbesserten Langzeitstabilität der Nanokompositfasern im Vergleich zu reinen Polymerfasern beitragen. ii) Für den Fall hochorientierter Nanopartikel in der Polymermatrix konnte für Nanoschichtsilikate und Nanographitteilchen in PA6 ein – vom mechanischen Verstreckungsverhältnis und von der Nanoteilchenkonzentration abhängiger – Kristallisationsmechanismus erarbeitet werden, welcher sehr wahrscheinlich auch auf andere Polymer-Nanokompositfasern übertragbar ist. Dieser Mechanismus besteht grob aus zwei Stufen, wobei in Stufe 1 (während des Schmelzspinnens) Polymerkristallite auf den Oberflächen der Nanoteilchen kristallisieren, die Kristallisation in der Polymermatrix („Bulk“-Kristallisation) jedoch mit steigender Nanoteilchen-Konzentration zunehmend gestört bzw. nahezu völlig unterbunden wird, d.h., für genügend hohe Nanoteilchen-Konzentrationen findet die Kristallisation des Polymers ausschließlich auf den Teilchenoberflächen statt. In Stufe 2 (beim mechanischen Verstrecken der Fasern) werden die auf den Nanopartikeloberflächen gewachsenen Polymerkristallite durch die lokal hohe Scherung wieder abgebaut (d.h., die Kristallinität in der Kompositfaser sinkt zunächst), die sog. „Bulk“-Kristallisation nimmt mit steigender Verstreckung zu und ist schließlich hauptursächlich für die Polymerkristallisation. iii) Der für PA6 mit steigender Verstreckung stattfindende Übergang von der γ- in die thermodynamisch stabile α-Phase lässt sich für reines PA6 im Wesentlichen bestätigen. Die häufig dokumentierte Stabilisierung der γ-Phase und die damit einhergehende Verzögerung des γ -> α Phasenübergangs durch Präsenz von Nanoschichtsilikatpartikeln erweist sich nur teilweise als korrekt. Tatsächlich kann festgestellt werden, dass anstatt der γ-Phase die sog. δ-Phase von PA6 stabilisiert wird. Die metastabile δ-Phase ist in Faserrichtung der α-Phase ähnlich und entspricht senkrecht zur Faserachse der γ-Phase. Dieses Ergebnis erscheint plausibel, da durch das Verstrecken der γ -> α Übergang in Faserrichtung stattfinden kann, ohne die Struktur senkrecht zur Faserachse wesentlich zu verändern. Ähnliches gilt auch für PA6/-Nanographit Kompositfasern. Hier wird – im Gegensatz zu den Schichtsilikaten – die α-Phase in der Faserquerschnittsebene stabilisiert, d.h., bei geringer Verstreckung lässt sich eine in Faserachse „fehlgeordnete“ α-Phase beobachten, welche mit steigender Verstreckung in die „normale“ α-Phase übergeht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 3D investigation of nanoadditives in meltspun polymer fibres by tomographic imaging in TEM. MSE 2012 Materials Science Engineering, Darmstadt 25.-27. September 2012
Wulfhorst, J.; Heidelmann, M.; Weirich, T.; Gries, T.
- Controlling the structure of nanocomposite fibers: application to electrically conductive fibers and fiber based solar cells. Nanocon 2012, 4th International Conference, 23.-25. Oktober 2012, Brno (CZ), Conference Proceedings, 988
Steinmann, W.; Wulfhorst, J.; Vad, T.; Beckers, M.; Seide, G.; Gries, T.
- Electrically conductive fibers with carbon nanotubes: 3D analysis of conductive networks by electron tomography. The Fiber Society (Ed.): Rediscovering Fibers in the 21st Century. The Fiber Society Fall Meeting and Technical Conference in partnership with Polymer Fibers 2012, Boston (MA, USA) 07.-09. November 2012
Steinmann, W.; Wulfhorst, J.; Vad, T.; Seide, G.; Gries, T.; Heidelmann, M.; Weirich, T.
- Modification of the mechanical properties of polyamide 6 multifilaments in high-speed melt spinning with nanosilicates. Textile Res. J. 82 (2012), 1846‒1858
Steinmann, W.; Walter, S.; Gries, T.; Seide, G.; Roth, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0040517512456756) - 3D Analysis of Nanocomposite Fibers by Electron Tomography – Application to CNT-modified Electrically Conductive Fibers. Int. Fiber J. 27(2) (2013), 36-38
Steinmann, W.; Wulfhorst, J.; Vad, T.; Seide, G.; Gries, T., Heidelmann, M.; Weirich, T.
- Extrusion of CNT-modified polymers with low viscosity – influence of crystallization and CNT orientation on the electrical properties. Polym. Polym. Compos. 21 (2013), 473-481
Steinmann, W.; Vad, T.; Weise, B.; Wulfhorst, J.; Seide, G.; Gries, T., Heidelmann, M.; Weirich, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/096739111302100801) - Orientation of well-dispersed multi-walled carbon nanotubes in melt-spun polymer fibers and ist impact on the semi-crystalline polymer structure – a combined wide-angle X-ray scattering and electron tomography study. Macromolecules 46 (2013), 5604-5613
Vad, T.; Wulfhorst, J.; Pan, T.T.; Steinmann, W.; Dabringhaus, S.; Beckers, M.; Seide, G.; Gries, T.; Sager, W.F.C.; Heidelmann, M.; Weirich, T.E.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ma4001226) - Visualization methods for the three-dimensional modelling of nanoparticles in polymeric fibres with bright-filed TEM tomography. 10th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (NN13), 08.-11. Juli 2013, Thessaloniki (GR), Abstract Book, 215
Glauß, B.; Steinmann, W.; Vad, T.; Wulfhorst, J.; Heidelmann, M.; Weirich, T.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1098/rsif.2010.0213) - Effects on fiber formation due to 1-d nanoparticle modification in thermoplastic polymers. 6th International Istanbul Textile Conference on Future Technical Textiles (FTT 2014), 15.-17. Oktober 2014, Istanbul (TR), Book of Abstracts, 11
Stolz, R.; Vad, T.; Dabringhaus, S.; Seide, G.; Gries, T.; Weirich, T.; Wulfhorst, J.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1166/sam.2011.1136) - Characterization of Polymer Layered Silicate Nanocomposites via Electron Tomography. EPF 2015, European Polymer Congress, 21.-26. Juni 2015, Dresden, Book of Abstracts, 114
Wirch, N.; Stolz, R.; Vad, T.; Weirich, T.
