Adhäsion und Wechselwirkungen von Polycarbonat und Polyamid auf Stahloberflächen

Sedelmeier, Sascha

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Vorgängen, die in der Grenzfläche zwischen Polymerschmelzen und Stahloberflächen ablaufen und zur Bildung von Belägen führen. Diese Beläge ziehen in technischen Anwendungen häufig Ausfallzeiten zur Reinigung der Oberflächen nach sich. Eine Ablösung der Beläge kann außerdem zu Stippen im Formteil führen. Obwohl dieses Problem seit Langem bekannt ist, ist es bisher nicht systematisch untersucht worden. Frühere Ansätze verfolgten die Strategie, Beläge im Trial & Error Verfahren zu vermeiden. Ein tiefgreifendes Verständnis der Vorgänge die zur Belagbildung führen, gab es bisher nicht. Im Rahmen von Untersuchungen an stehenden Schmelzen, im Kontakt mit der Stahloberfläche und anschließenden Scherprüfungen, kann zunächst gezeigt werden, dass die Adhäsion der Formmasse in gewissen Grenzen von den Verarbeitungsparametern abhängt. Mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie zeigt sich aber auch, dass die Belagbildung davon unabhängig ist. Somit sind Belagbildung und Adhäsion der Formmasse am Stahl nicht gleichzusetzen. Des Weiteren zeigt die FTIR-Spektroskopie, dass sich das Polymer in der Grenzschicht von der ursprünglichen Formmasse unterscheidet. Diese Beobachtung bestätigt sich bei Untersuchungen am Extruder mit fließender Schmelze. Die Ergebnisse deuten auf Wechselwirkungen in der Grenzschicht, die ihren Ursprung in der Stahloberfläche haben. Im nächsten Schritt werden die Wechselwirkungen der Hauptlegierungsbestandteile des verwendeten Stahls mit den Polymermolekülen in verdünnten Lösungen betrachtet. Diese Untersuchungen zeigen, dass Eisenionen in der Lage sind, mit den Polycarbonatmolekülen in Wechselwirkung zu treten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen deuten auf eine Komplexbildung am freien Elektronenpaar der Carbonylgruppe hin. Da Eisenionen in der Lage sind mehrere Liganden zu binden, kann von einer Art Netzwerkbildung ausgegangen werden, die dazu führt, dass sich der Belag aus der Schmelze abscheidet. Die hier ermittelten Ergebnisse liefern zum ersten Mal die Möglichkeit gezielte Strategien zu entwickeln der Belagbildung entgegen zu wirken bzw. diese gänzlich zu verhindern.

This work deals with the interactions that take place in the interface of polymer melts and steel surfaces, which may lead to the formation of deposits. In technical applications these deposits cause downtimes of the machines due to the cleaning of the surfaces. Additionally, uncontrolled detachment of the deposits leads to specs in the melt and in the produced parts. Although this problem is known for a long time it has not been investigated in a systematic way. Previous attempts tried to avoid the deposits in a trial & error approaches. Profound understanding of the processes causing the deposits does not exist, yet. First investigations with static melts in combination with the measurement of the shear strength show, that the adhesion of the polymer on the steel surface depends on production parameters to a certain extent. In contrast, FTIR-spectroscopy shows that the formation of the deposit does not. Thus the formation of deposits does not necessarily lead to adhesion of the polymer on the steel. Additionally, FTIR-spectroscopy shows changes in the deposit compared to the used compound. When changing from static melts to moving melts in an extruder, these results can be confirmed. It is indicated, that the cause of the interactions taking place in the interface, can be found in the steel surface. Next, the interactions of the main alloy components of the steel with polymer molecules were observed in thin solutions. These investigations show that iron ions are capable of interacting with polycarbonate molecules. A complex formation on the free electron pair of the carbonyl group is indicated. Since iron ions are able to bind several ligands, the formation of a network may occur, which leads to precipitation of the formed substances from the melt. The results obtained in this work provide the possibility to develop specific strategies to counteract the formation of deposits or to prevent them completely, for the first time.

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Sedelmeier, Sascha: Adhäsion und Wechselwirkungen von Polycarbonat und Polyamid auf Stahloberflächen. 2017.

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