Modification and structuring of polymer powders by gas phase processes

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Issue Date
2023-12-13
Authors
Düsenberg, Björn
Editor
Abstract

Polymers have become indispensable in many areas of daily life; they are used as materials in almost every product around us. For some years now, additive manufacturing has made it possible to produce components not subtractive (as in milling and cutting), by shaping (injection molding), but by building them up without a physical mold. Powder-based additive manufacturing in particular offers exciting possibilities for prototype construction, as well as special components where geometries can be realized that are not possible with any other manufacturing method. The challenges for particle technology are the small target particle size (d < 150 μm) and the low density of the polymer particles, as well as a commonly non-spherical shape. These challenges result in a small selection of usable materials, mostly polyamides. In order to give the existing materials a broader field of application and to make new materials usable in powder based additive manufacturing, modification and structuring processes are required. It involves the modification of powder properties, for example to improve flowability, fluidisation or the adjustment of electrical conductivity, as well as the prevention of segregation or the creation of multi-material particles due to structuring processes. For this purpose, both liquid and gas phase-based processes are available in process engineering, whereby the gas phase processes form the focus of this work. For modification purposes, dry particle coating is used in this work. It is a solvent-free, single-step process, making it ideal for research and production environments. The structuring part of this work is carried out by fluidized bed spray agglomeration, a flexible, well-known process for coating, agglomerating and drying powders. The modification of polymer particles by means of dry coating is carried out in two different mixers, whereby the heated horizontal mixer is used to investigate the temperature influence on the coating process and the shaker mixer is used on an application basis. In the structuring part, a fluidised bed is used to agglomerate fine polymer primary particles and to investigate the morphology formation. For temperature-assisted dry coating, polypropylene is used as a host particle material. Here, the effects of temperature on the integral charge, yield and quality of the coating as well as the flowability of the powders are investigated. Furthermore, dry coating is used to produce customised products in order to evaluate the versatility of this process in modern, new, applications. For this purpose, polypropylene powders are coated with charge control agents (functionalised silica nanoparticles) to adjust the electrical charge in relation to the polarity of the powders, making the electrophotographic powder deposition method useful in additive manufacturing. In addition, commercial as well as self-synthesised superparamagnetic iron oxide nanoparticles are used to produce magnetisable polymer particles. Magnetizable polymers are becoming increasingly important, especially in the medical and chemical industries, which is why dry coating as a solvent-free process can significantly accelerate the development and production. In the field of structuring, this work deals with the shape analysis of agglomerates produced by fluidised bed spray agglomeration. Polystyrene primary particles of Geldart class C - A are used as model particles. They combine a low density as well as a small particle size below 100 μm and are agglomerated with a polymethyl methacrylate - acetone solution at different temperatures and volume flow ratios at the nozzle. The produced agglomerates are evaluated in terms of the agglomerate size and their shape factor descriptors circularity, roundness and compactness. Furthermore, the fractal dimensions (2D and 3D) are determined as single descriptor and compared with the shape factors. Last but not least, the agglomerates were analyzed for their flowability which is correlated to the shape factors and particle size.

Abstract

Polymere sind in vielen Bereichen des täglichen Lebens unentbehrlich geworden; sie werden als Materialien in fast allen Produkten um uns herum verwendet. Mit der additiven Fertigung ist es seit einigen Jahren möglich, Bauteile nicht mehr subtraktiv (wie beim Fräsen und Schneiden) oder formgebend (Spritzguss) herzustellen, sondern aufbauend herzustellen. Insbesondere die pulverbasierte additive Fertigung bietet spannende Möglichkeiten für den Prototypenbau, aber auch für spezielle Bauteile, bei denen Geometrien realisiert werden können, die mit keinem anderen Fertigungsverfahren möglich sind. Die Herausforderungen für die Partikeltechnologie sind die geringe Zielpartikelgröße (d < 150 μm) und die geringe Dichte der Polymerpartikel sowie eine häufig nicht-sphärische Form. Diese Herausforderungen führen bisher zu einer kleinen Auswahl an verwendbaren Materialien, meist Polyamide. Um den vorhandenen Materialien ein breiteres Anwendungsfeld zu geben und neue Werkstoffe für die pulverbasierte additive Fertigung nutzbar zu machen, sind Modifizierungs- und Strukturierungsverfahren erforderlich. Dabei geht es um die Veränderung der Pulvereigenschaften, beispielsweise zur Verbesserung der Fließfähigkeit, der Fluidisierung oder der Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit, sowie um die Verhinderung von Entmischung oder die Schaffung von Multimaterialpartikeln durch Strukturierungsprozesse. Hierfür stehen in der Verfahrenstechnik sowohl flüssigkeits- als auch gasphasenbasierte Verfahren zur Verfügung, wobei die Gasphasenverfahren den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden. Zur Modifizierung der Pulver wird in dieser Arbeit die Trockenbeschichtung eingesetzt. Es handelt sich dabei um ein lösungsmittelfreies, kostengünstiges und flexibles Verfahren, dass sich für den Einsatz in Forschung und Produktion eignet. Die Strukturierung der Pulver werden in dieser Arbeit wird im Wirbelschichtverfahren durchgeführt, eine flexible, bekannte Methode zum Beschichten, Agglomerieren und Trocknen von Pulvern. Die Modifizierung von Polymerpartikeln mittels Trockenbeschichtung wird dabei in zwei verschiedenen Mischern durchgeführt wobei die Verwendung des beheizten Horizontalmischers zur Untersuchung des Temperatureinflusses auf den Beschichtungsprozess und der Turbula-Mischer einen Anwendungsbasierten Einsatz findet. Im Teil der Strukturierung ein Wirbelbett verwendet, um feine Polymerprimärpartikel zu Agglomerieren und dabei die Morphologiebildung zu untersuchen. Für die temperaturunterstützte Trockenbeschichtung wird Polypropylen als Hostpartikelmaterial verwendet. Hier werden die Auswirkungen der Temperatur auf die Integralladung, die Ausbeute und die Qualität der Beschichtung sowie die Fließfähigkeit des Pulvers untersucht. Weiterhin wird die Trockenbeschichtung zur Herstellung maßgeschneiderter Produkte eingesetzt, um die Vielseitigkeit dieses Verfahrens in modernen, neuen, Anwendungen zu evaluieren. Zu diesem Zweck werden Polypropylenpulver mit Ladungssteuerungsstoffen (funktionalisierte Silica-nanopartikel) beschichtet um die elektrische Ladung in Bezug auf die Polarität der Pulver einzustellen, wodurch die Methode des elektrophotographischen Pulverauftrags in der additiven Fertigung nutzbar gemacht wird. Außerdem werden kommerzielle, wie auch synthetisierte superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel verwendet, um Polymerpartikel magnetisierbar zu machen. Magnetisierbare Polymere werden immer wichtiger, insbesondere in der medizinischen und chemischen Industrie, weshalb die Trockenbeschichtung als lösemittelfreier Prozess die Entwicklung und Produktion dieser Komposite deutlich beschleunigen kann. Auf dem Gebiet der Strukturierung befasst sich diese Arbeit mit der Formanalyse von Agglomeraten, die durch Wirbelschicht-Sprühagglomeration hergestellt wurden. Als Modellpartikel werden Polystyrol-Primärpartikel der Geldart-Klasse CA verwendet. Sie weisen eine niedrige Dichte sowie eine geringe Partikelgröße unter 100 μm auf und werden mit einer Polymethylmethacrylat-Aceton-Lösung bei unterschiedlichen Temperaturen und Volumenstromverhältnissen an der Düse agglomeriert. Die erzeugten Agglomerate werden hinsichtlich der Agglomeratgröße und ihrer Formfaktor-Deskriptoren Kreisförmigkeit, Rundheit und Kompaktheit bewertet. Darüber hinaus werden die fraktalen Dimensionen (2D und 3D) als einzelner Deskriptor bestimmt und mit den Formfaktoren verglichen. Als letztes wurden die Agglomerate auf ihre Fließfähigkeit untersucht, die mit den Formfaktoren sowie der Partikelgröße korreliert.

DOI
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