Ph.D. grad

Den 7. marts 2008 forsvarede vores tekniske projektleder Mia Katharina A. Podlech sin Ph.D. ved Aalborg Universitet. Titlen på projektet er “Udvikling af alternativt PE/PET kompositmateriale via funktionaliseret PE”.

Dette projekt vedrører udviklingen af et polyethylen (PE) polyethylen terephthalate (PET) kompositmateriale, med henblik på, at maritimt redningsudstyr skal fremstilles heraf. Maritimt redningsudstyr udsættes for ekstreme betingelser, hvilket delvist skyldes det marine miljø og delvist anvendelsessituationen – redningssituationen, hvorunder udstyret er udsat for store belastninger og aktioner, både i et isoleret område og generelt. Der eksisterer strenge lovgivningsmæssige krav til kompositmaterialer, der anvendes til redningsudstyr.

En kritisk faktor i forstærkede plastmaterialer er styrken af bindingen imellem polymermatrix og fibrene. Dette skyldes, at belastningen overføres via grænsefladen imellem matrix og fiber. En svag binding resulterer i, at fibrene trækkes ud af matricen og at strukturen delaminerer, specielt under de ugunstige betingelser under hvilke denne PE/PET komposit skal virke. Selvom det er kendt, at mange faktorer er involveret i den samlede ydeevne for kompositsystemet, er det klart at adhæsionen, og dermed befugtning af fibre med matricen, samt kompatibiliteten imellem de to polymere er centralt for koblingsmekanismen.

På grundlag af teoretiske overvejelser omkring adhæsionsprincipper er det klart, at adhæsionsmodus går via mekanisk sammenlåsning og adsorptionsmekanismer. En god befugtning er en nødvendig betingelse for god adhæsion. Et kriterium for god befugtning er forenelighed – kompatibilitet, imellem bindemiddel og substrat. PE og PET er dog ikke kompatible af natur pa grund af deres essentielt vidt forskellige natur. At overvinde dette faktum og bringe de to polymerer i kontakt på en sådan måde, at god befugtning og derved god adhæsion, kan indtræde, er et af de signifikante formål med denne afhandling. Derfor er kompatibilitet og affiniteter imellem PE og PET undersøgt via konceptet Hansens opløselighedsparameter (HSP). HSP er derefter estimeret for forskellige funktionaliserede PE typer via gruppebidragsmetoden. Disse studier viste en forøget kompatibilitet imellem PET of PE-co-maleic anhydrid, imellem PE-co-acrylsyre og imellem PE-co-butyl acrylate/PE-co-glycidyl methacrylate sammenlignet med kompatibiliteten imellem PE og PET. Den overordnede fremgangsmåde for at sikre en tilstrækkelig adhesion er da at anvende disse funktionaliserede PE typer som mellemlag i PE/PET kompositten.

Hypotesen er således: polære grupper i den funktionelle PE fungerer som en bro imellem de to ublandbare polymerer via en tilsvarende polaritet, hvilket medfører, at densiteten af intermolekylære interaktioner forøges, hvorved også en højere densitet af intermolekylære bindinger etableres. Med introduktionen af polære grupper forøges overfladens frie energi, hvilket forbedrer betingelserne for befugtning og tilslut dannes en god adhæsion.

Der er udført eksperimenter ved at producere PE/PET kompositter med disse udvalgte funktionaliserede PE typer som mellemlag. Derefter sammenlignes disse med PE/PET kompositter uden mellemlag. Eksperimenterne er udført i henhold til principperne for eksperimentel design og modeller er udviklet for at analysere dataene og for at udføre efterfølgende velfunderede forudsigelser. Disse modeller viste en signifikant forøgelse af trækbrudstyrken for PE/PET kompositten. Yderligere er en forøget befugtning af PET fibrene blevet bekræftet ved at undersøge microtomsnit af tværsnit af PE/PET kompositterne vha. lys mikroskop. Den forøgede trækbrudstyrke og befugtning har været antaget som en demonstration af en forøget kompatibilitet imellem PET via det funktionaliserede PE mellemlag til PE matricen. Dette medførte en bedre befugtning af PET fibrene med mellemlaget og PE-matricen. Den forøgede befugtning medfører en bedre kontakt, hvorefter de polære grupper i mellemlaget sandsynligvis består af intermolekylære bindinger etableret som sekundære bindinger som for eksempel polar-polar interaktioner. Således er formålet med hensyn til adhæsion anset for at være opfyldt.

Det nærværende arbejde må dog nødvendigvis også vedrøre udviklingen af en passende PE-matrice og et passende PET tekstil. Den udviklede PE-matrice tilfredsstillede hovedsagelig forventningerne og kravene. To mindre problemer i forbindelse med UV og blok modstandsdygtighed og et større problem vedrørende gennemstikningsmodstand er stadig tilbage at blive løst. De første to problemer anses for at kunne løses rimeligt simpelt. Forslag hertil er fremsat. Det sidstnævnte problem gennemstikningsmodstanden, er yderligere blevet diskuteret.

Med hensyn til at fastlægge en passende PET tekstil, er indflydelsen af forskellige strukturelle karakteristika på PE/PET komposittens mekaniske egenskaber og komposittens tykkelse blevet undersøgt. Der er blevet fastlagt en sammenhæng imellem lineær densitet, brud tenacitet og tråd densitet af PET tekstilet og maksimal belastning for PE/PET kompositten. Denne sammenhæng er ligefrem, idet det gælder at forøges den lineær densitet, brud tenaciteten og tråd densiteten forøges PE/PET komposittens maksimale belastning. Desuden er der fremsat en generel sammenhæng imellem de strukturelle karakteristika af PET tekstilet og komposittens tykkelse.

IMO kravene til PE/PET kompositten er hovedsaglig opfyldt. Med hensyn til at opfylde de sekundære krav er der fremsat forslag til at løse problemerne med gennemstikningsmodstanden og modstandsdygtigheden overfor slid, baseret på blandt andet model beregningerne.
Således konkluderes det, fundamenteret på de fremstillede modeller, at formålet med hensyn til adhæsion er opfyldt. Ligeledes baseret på model beregninger kan formålene med hensyn til at frembringe en egnet PE-matrice og et egnet PET tekstil indfries ved at udføre et fåtal ekstra eksperimenter. Endelig, med disse ekstra forsøg kan kravene for gennemstikningsmodstand og slid modstandsdygtighed også opfyldes.

Idet IMO kravene er opfyldt og specielt da en signifikant forøgelse af trækbrudstyrken, som er antaget at være en demonstration af en forøget adhæsion, for PE/PET kompositten er fastslået, er der indleveret to patentansøgninger, et for det udviklede PE/PET kompositmateriale og et for materialets specifikke anvendelse. I skrivende stund er patenterne blevet godkendt i Danmark og er i processen for at blive godkendt i Europa.

Hvis du er medlem af DMN, kan du logge ind og læse Ph.D. afhandlingen her >

DMN - Danmarks industriportal for løsning af materialerelaterede problemstillinger