Extrusion 4-2021

Folgende Ansätze zur Steigerung der Dispergierung der Graphene (3 Gew.-% A.M.) als auch zur Steigerung der Anbindung der kohlenstoffbasierten Füllstoffe im Vergleich zum Referenzmaterial wurden untersucht: 1.) Verwendung einer vorgeschal- teten diskontinuierlichen Ultra- schallbehandlung (60 min, 19,5 kHz, 820 W) der Graphen- Monomer-Lösung 2.) Zusätzliche Verwendung des Nyrim 6 als Lösungsmittel in Kombination mit einer vorgeschalteten diskontinuierlichen Ultraschallbehandlung (60 min, 19,5 kHz, 820 W) 3.) Zugabe von 15 Gew.-% CF zur Schereintragserhöhung im Doppelschneckenextruder sowie zur Erzielung von Synergie- effekten zwischen den Mikro- und Nanofüllstoffen 4.) Zugabe von 1 Gew.-% SMA zur Anbindungssteigerung der kohlenstoffbasierten Füllstoffe (3 Gew.-% A.M.) mit der PA 6-Matrix Weiterhin wurden die genannten Ansätze in einem Versuchs- punkt zusammengeführt, um zu untersuchen, ob durch die Kombination Synergieeffekte entstehen. Dieses Compound be- inhaltet 1 Gew.-% SMA, 15 Gew.-% CF, 3 Gew.-% Graphen A.M. sowie Nyrim 6 als Lösungsmittel. Die Graphen-Monomer- Nyrim 6-Lösung wurde einer 60-minütigen Ultraschallbeschal- lung bei einer Frequenz von 19,5 kHz und einer effektiven Ener- gieaufnahme von 820 W ausgesetzt. Für die Bewertung der jeweiligen Compounds werden mecha- nische Zugprüfungen durchgeführt. Die Probenkörperherstel- lung (Vielzweckprüfkörpern Typ 1A) erfolgt dabei in einem Zwi- schenschritt unter konstanten Bedingungen auf einer Spritz- gießmaschine des Typs IntElect 100-340 der Sumitomo Demag Plastics Machinery GmbH, Schwaig. Anhand der Prüfkörper wird die Zugfestigkeit nach DIN EN ISO 527 [21] bei Raumtem- peratur und einer Prüfgeschwindigkeit von 50 mm/s bestimmt. Anlagentechnik Die Polymerisationsversuche wurden auf einem Doppelschne- ckenextruder des Typs ZSK26Mc der Coperion GmbH, Stuttgart, durchgeführt. Der Schneckendurchmesser beträgt 26 mm und es wird ein Längen-zu-Durchmesser (L/D)-Verhältnis von 56 ge- wählt. In allen Versuchen wurde ein Durchsatz von 10 kg/h bei einer Schneckendrehzahl von 400 U/min festgelegt. Das einge- stellte Gehäusetemperaturprofil ist in Tabelle 1 dokumentiert. Der Versuchsaufbau ist in Bild 1 dargestellt. Der Graphenfüll- stoff wird in die geschmolzene Monomer-Aktivator-Lösung ge- geben. Die Vordispergierung des Graphens erfolgt innerhalb des Durchflussreaktors mithilfe eines Ultraschalldispergiersys- tems der SinapTec Ultrasonic Technology SAS, Lezennes, Frank- reich. Durch Schließung des Ventils ist ein Batch-Betrieb mög- lich. Die beiden Monomer-Gemische werden mithilfe von Zahn- radpumpen der Firma Mahr Metering Systems GmbH, Göttin- gen, in den Doppelschneckenextruder eindosiert. Über einen Sidefeeder werden CF und SMA dem Prozess zugeführt. Nach der Einarbeitung und der Polymerisation ermöglicht eine dreistufige Vakuumentgasung in Kombination mit einer drei- stufigen Schleppmitteleindosierung die Entfernung des Rest- monomers. Dies ist notwendig, da es sich bei der reaktiven Ex- trusion von PA 6 um eine Gleichgewichtsreaktion handelt. Das Restmonomer hat eine negative weichmachende Wirkung und muss daher entfernt werden. Als Schleppmittel zur Verbesse- rung der Entgasungsleistung wird dem Prozess jeweils zu Be- ginn der Entgasungszonen destilliertes Wasser mit einem Durchsatz von 0,6 kg/h zugegeben. Nach der reaktiven Extrusi- on im Doppelschneckenextruder steht ein weiterverarbeitungs- fähiges Graphenkomposite zur Verfügung. Analyse der Dispergierung und Anbindung von Graphen bei der reaktiven Extrusion In Bild 2 sind die Ergebnisse der mechanischen Kurzzeitzugprü- fungen für alle methodischen Ansätze zusammengefasst. Zu er- kennen ist, dass zumeist keine Zugfestigkeitssteigerung resul- tiert. Jedoch steigt die Zugfestigkeit durch die Zugabe von 1 Gew.-% SMA leicht von 73,9 ± 1 MPa ohne SMA (Referenz) auf 77,7 ± 1,3 MPa an. Die Einarbeitung von CF führt im Vergleich zum Referenzmaterial erwartungsgemäß zu deutlichen Erhö- 44 Reaktive Extrusion – Aus der Forschung Extrusion 4/2021 Bild 3: Flächenanteil der Graphenagglomerate und deren kumulierter prozentualer Anteil in Abhängigkeit der Ultraschall- intensität und der Zugabe von Nyrim 6 Tabelle: Eingestelltes Temperaturprofil am Doppelschneckenextruder Gehäusenummer [-] 2 3-7 8-14 Werkzeug Temperatur [°C] 170 260 220 260 3 Gew.-% A.M. Ohne Ultraschallbehandlung kumulierter Flächenteil [%] Flächenteil der Graphene [%] Agglomeratsgröße [ µ m] Ultraschallbehandlung (60 min, 19,5 kHz, 820 W) Ultraschallbehandlung (60 min, 19,5 kHz, 820 W) und Lösemittel (Nyrim 6) 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 200 400 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 500 µ m 500 µ m 500 µ m