Systematic development for high performance fluoropolymer materials and applications

Strutz, Melanie

The aim of the work includes several steps. After the material characterization of the PTFE itself, the processing technologies and the tribological characterization of compounds, a revision of suitability has to be done and the correlation between the filler and the processing technology must be respected. If the suitability or the correlation is not fitting for the favoured application it is recommended to return to the material characterization of the PTFE to find the best solution. By using this systematic way the optimized material for nearly every application can be found. Only by a broad knowledge of the different PTFE materials, their properties and the processing technologies in combination with the manufacturing process enables to find the material and process solution. Depending on the targeted applications the required performance profile may be different. In this work all important chemical, physical and mechanical influences are determined and analyzed. The study of mechanical and thermal behaviour of these materials gives a better unterstanding of the relationship between molecular weight, molecuar weight distribution, particle composition and material characteristics. By utilising these processes the following conclusions are made: · The particle size and the weight percentage of the d10-fraction of the material are specific for each material type. The increased specific surface enables an improved coalesence of the particles. In addition, a rough surface compared to a smooth one generates a better surface contact during moulding. Producing compounds will be done with low flow material because due to the lower particle size the filler distribution is more homogenious. · In difference to Standard PTFE, modified PTFE has a reduced molecular weight, a reduced cold flow, enhanced mechanical properties and a better melting behaviour during sintering as a consequence of the reduced melting viscosity. · PTFE processing is not critical for local pressure variations inside the mould. But lower moulding pressure generates higher shrinkage during sintering. · Compounds with low phyiscal strength are not acceptable for high strain. It can be said, that low elongation is a disadvantage for the manufacturing and assembly process and recovers the danger of crack formation at impact load. A low shrinkage behaviour during sintering is advantageous for the manufacturing of stress-relieved components. After testing the samples on the different conditions the best results are obtained for material No. 7 which is a compound composed of Standard PTFE + 15% PPS + 10% Carbon Coke + 2%MoS2. This compound generates a high wear resistance and a reduced coefficient of friction. The comparison of mechanical and tribological performance of Standard PTFE, modified PTFE and PTFE compounds show the potential of this materials for industrial applications. In general, the mechanical properties of PTFE play an important role for XX material selection for any application and can potentially provide new solutions on the fluoropolymer market.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist mehrstufig gegliedert. Nach der Materialcharakterisierung des PTFE, der Einbeziehung der Verarbeitungstechnologie und der tribologischen Charakterisierung der Compounds, wird eine Prüfung auf die Verwendbarkeit durchgeführt. Zusätzlich wird der Zusammenhang zwischen den Füllstoffen und der Verarbeitungstechnologie betrachtet. Sollte sich bei der angestrebten Anwendung keine Verwendbarkeit oder kein logischer Zusammenhang ergeben, ist es empfehlenswert durch eine erneute Materialcharakterisierung einen anderen, besseren Lösungsansatz zu finden. Durch das Einhalten dieser Systematik ist es möglich das optimale Material für nahezu jede Anwendung zu identifizieren. Eine umfassende Kenntnis der verschiedenen PTFE Materialien, ihren Eigenschaften und die Verarbeitungstechnologien, in Kombination mit dem Polymerherstellprozess, ermöglichen eine vollständige Lösungsfindung. Die jeweiligen Anforderungsprofile sind, abhängig von der angestrebten Anwendung, immer unterschiedlich zu betrachten. In dieser Arbeit findet die Untersuchung und Analyse aller wichtigen chemischen, physikalischen und mechanischen Einflüsse statt. Insbesondere das mechanische und thermische Materialverhalten geben einen umfangreichen Aufschluss über die Beziehungen zwischen Molekulargewicht, Molekulargewichtsverteilung, dem Aufbau der Partikel und den Materialeigenschaften. Die Untersuchungen lassen folgende Schlussfolgerungen zu: · Für jeden Materialtyp sind die Partikelgröße und der Gehalt an Feinanteilen, der d10- Fraktion, kennzeichnend. Die vergrößerte spezifische Oberfläche des Pulvers ermöglicht ein verbessertes Verschmelzen der Partikel. Darüber hinaus erzeugt eine unregelmässige Oberfläche im Gegensatz zu einer Glatten einen besseren Oberflächenkontakt während des Pressvorgangs. Zur Herstellung von Compounds wird nicht rieselfähiges Material verwendet, da aufgrund der geringeren Partikelgröße die Verteilung der Füllstoffe homogener ist. · Im Gegensatz zu Standard PTFE ist das modifizierte PTFE charakterisiert durch ein geringeres Molekulargewicht, einen reduzierten Kaltfluss, verbesserte Verankerung von Füllstoffpartikeln und ein besseres Schmelzverhalten während des Sinterns, eine Konsequenz der verringerten Schmelzviskosität. · Das Verarbeiten von PTFE bei verschiedenen Pressvariationen im Werkzeug ist unkritisch. Allerdings bedeutet ein niedriger Pressdruck mehr Schrumpf während des Sinterns. · Compounds mit niedrigen Festigkeitseigenschaften sind für Anwendungen mit höherer Belastungen nicht geeignet. Daher ist eine geringe Bruchdehnung für den Verarbeitungsprozess nachteilig und erhöht die Gefahr des Materialversagens bei Stoßbelastung. Ein niedriges Schrumpfverhalten während des Sinterns ist vorteilhalt für die Herstellung von spannungsarmen Komponenten. XXII Nach Abschluss der Versuchsreihe ergaben sich die besten Ergebnisse für Material Nr. 7, welches ein Compound, basierend auf Standard PTFE + 15% PPS + 10% Harte Kohle + 2%MoS2 ist. Dieses Compound zeichnet sich durch einen geringen Verschleiß und einen niedrigen Reibwert aus. Der Vergleich der mechanischen und tribologischen Eigenschaften von Standard PTFE, modifiziertem PTFE und PTFE-Compounds zeigen das Potenzial dieses Materials auf industrielle Anwendungen. Grundsätzlich spielen die mechanischen Eigenschaften des PTFE eine wichtige Rolle für die Materialauswahl für jede Anwendung und können potenziell neue Lösungen für den Fluorpolymermarkt liefern.

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Strutz, Melanie: Systematic development for high performance fluoropolymer materials and applications. 2018.

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