Uni- und biaxiales Verstrecken von isotaktischem Polypropylen im teilaufgeschmolzenen Zustand

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2004-07-15
Issue Year
2002
Authors
Rettenberger, Stefan
Editor
Abstract

In this work the uniaxial and biaxial stretching behaviour of isotactic polypropylene (iPP) at temperatures below the melting point in a partly-molten state of the polymer is addressed. The processing of thermoplastics usually takes place in the molten state. However, biaxially oriented polypropylene films (BOPP) are normally stretched at temperatures below the melting point. The trend towards using wider and faster flat film production lines makes it necessary to develop new polymeric materials that resist the stresses encountered during high speed processing without loss of mechanical and optical properties. Therefore, the complex correlation between molecular structure of the raw materials, the morphology of the cast film, the processing condition, and the film properties are of great interest. The correlation between the uniaxial and the simultaneous biaxial deformation behaviour of iPP was also investigated. Different commercially available polypropylene resins varying in their molecular structure were comprehensively characterised with respect to molecular weight, molecular weight distribution, isotacticity and long-chain branching. The various polypropylene grades were extruded and cast under identical processing conditions. Furthermore, these casting conditions were varied to be able to study the effect of the morphology of the cast film on its mechanical behaviour. The morphological characterisation of the cast films was carried out using wide-angle X-ray scattering (WAXS), polarized light microscopy and differential scanning calorimetry (DSC). The cast samples were stretched uniaxially and simultaneously biaxially at temperatures between 140°C and 160°C under high strain rates (up to 700 mm/s). These drawing conditions are comparable to the ones encountered on film production lines. The uniaxial stretching experiments were performed on a tensile machine specifically modified for the testing of polyolefins in the partly-molten state. The simultaneous biaxial deformation of isotactic polypropylene was investigated using a novel laboratory film stretcher which simulates closely industrial biaxial stretching operations. The uniaxial deformation behaviour is qualitatively comparable to that one under simultaneous biaxial deformation. In the temperature range of 140°C-160°C the deformation behaviour undergoes a shift from the ductile to the quasi-rubber-like deformation behaviour. The degree of residual crystallinity in the partly-molten state plays a decisive role for the deformation behaviour. However, the mechanical film properties are only marginally influenced by the cast film morphology. Concerning the molecular structure, the isotacticity seems to be the most decisive molecular parameter with respect to the deformation behaviour and the mechanical film properties.

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird das uni- und biaxiale Deformationsverhalten von Polypropylen im teilaufgeschmolzenen Zustand zwischen 140 °C und 163 °C untersucht. Experimentelle Parameter sind die Verstrecktemperatur, die Reckgeschwindigkeit, das Verstreckverhältnis und die Aufheizzeit. Die Morphologie der unverstreckten Castfilme sowie der molekulare Aufbau der untersuchten Polypropylene sind Materialparameter, deren Einfluss auf das Deformationsverhalten Gegenstand ausführlicher Untersuchungen ist. Des weiteren ist die Vergleichbarkeit von uni- und biaxialen Verstreckungen Gegenstand dieser Arbeit. Eine weitere Fragestellung beschäftigt sich mit der Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften simultan äquibiaxial verstreckter Folien von dem molekularen Aufbau der Polypropylene, der Morphologie der Castfilme und den Verstreckbedingungen.Mit einer modifizierten Eigenbau-Dehnapparatur wurden uniaxiale Verstreckversuche bei hohen Dehngeschwindigkeiten im Temperaturbereich nahe der Schmelztemperatur durchgeführt. Für die biaxialen Versuche wurde ein Laborstreckrahmen der Firma Brückner Maschinenbau GmbH eingesetzt. Charakteristisch für diese Apparatur ist die große Variabilität der einzelnen Verstreckparameter. Darüber hinaus ist durch die Konzeption dieser Apparatur die Simulation des großtechnischen simultanen Verstreckens im Labormaßstab bei definierten Bedingungen möglich. Beide Verstreckapparaturen zeigen eine hohe Messgenauigkeit und eine gute Reproduzierbarkeit von Spannungs-Dehnungskurven. Eine steigende Verstrecktemperatur wirkt sich in der Weise auf das Deformationsverhalten im teilaufgeschmolzenen Zustand zwischen 140 °C und 163 ° aus, dass das Materialverhalten, ausgehend von einer Kaltverstreckung, zunehmend in ein gummielastisches Deformationsverhalten übergeht. Eine höhere Verstreckgeschwindigkeit erfordert höhere Verstreckkräfte. Darüber hinaus prägt sich auch das dehnverfestigende Materialverhalten stärker aus. Dies führt dazu, dass der Prozess der Probeneinschnürung bei Kaltverstreckung bei kleineren Dehnungen stabilisiert wird und sich die Probe damit insgesamt weniger stark einschnürt. Mit dem Probenquerschnitt während des Neckings korreliert der Spannungsabfall nach der Streckgrenze. Je höher der Spannungsabfall, desto kleiner ist der Probenquerschnitt im eingeschnürten Bereich der Probe und desto inhomogener erfolgt die Deformation. Ausschlaggebend für das Deformationsverhalten im teilaufgeschmolzenen Zustand ist die bei der jeweiligen Temperatur vorliegende Morphologie. Ein Charakteristikum dieser Morphologie ist die aus DSC-Aufschmelzkurven bestimmte Restkristallinität. Messungen an Castfilmen, die aufgrund variierter Abkühlbedingungen unterschiedliche Kristallinitätsgrade und Kristallitgrößen besitzen, zeigen, dass zum einen mit zunehmendem Kristallinitätsgrad und/oder größer werdenden Kristalliten die Verstreckspannungen ansteigen, und zum anderen, dass die Deformation inhomogener erfolgt. Untersuchungen an getemperten Proben lassen den Schluss zu, dass Kristallinitätsgrad und Kristallitgröße die Streckspannung unabhängig voneinander beeinflussen. Zwischen der für ein definiertes biaxiales Verstreckverhältnis ermittelten wahren Verstreckspannung und der Restkristallinität besteht unabhängig von molekularen Größen ein linearer Zusammenhang. Molekulare Größen zeigen im Rahmen der Variationsbreite der untersuchten Handelsprodukte keinen direkten Einfluss auf den wahren Spannungszustand, beeinflussen aber indirekt über das Kristallisationsverhalten die Kristallinität und somit den Verlauf der nominalen Spannungs-Dehnungskurven. So bewirkt beispielsweise eine höhere Isotaktizität einen größeren Kristallinitätsgrad. Infolgedessen steigen die nominalen Verstreckspannungen an, und die Deformation erfolgt inhomogener.Simultan äquibiaxial verstreckte Folien zeichnen sich durch isotrope mechanische Folieneigenschaften aus. Diese werden durch eine höhere Verstrecktemperatur in der Weise beeinflusst, dass die Zugfestigkeit abnimmt, der E-Modul und die Bruchdehnung hingegen zunehmen. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Reckgeschwindigkeit und den Folieneigenschaften konnte nicht gefunden werden. Den deutlichsten Einfluss auf die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung hat das Verstreckverhältnis. Die Festigkeit ist um so höher bzw. die Bruchdehnung um so niedriger, je höher das Verstreckverhältnis gewählt wird. Diese Befunde lassen sich mit der zunehmenden Molekülorientierung verstehen. Keinen wesentlichen Einfluss auf die Folieneigenschaften besitzt die Castfilmmorphologie, die durch unterschiedliche Abkühlbedingungen hervorgerufen wurde. Die Morphologie der verstreckten Folie und somit die Folieneigenschaften werden vor allem durch den Verstreckprozess und/oder das Abkühlverhalten nach der Verstreckung bestimmt. Bezüglich der Molekularstruktur konnte ein Zusammenhang zwischen der Isotaktizität und dem E-Modul verstreckter Folien nachgewiesen werden.

DOI
Document's Licence
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs