Über die Wirkung thermoplastischer Elastomere als Additive zur Unterdrückung des sharkskin-Effekts

Bei der Verarbeitung von Polyethylen in Extrusionsanlagen ist der sharkskin-Effekt als erste Ausprägung des Schmelzebruchs limitierender Faktor der Produktionsgeschwindigkeit. Herkömmliche Additive, um den Beginn des sharkskin-Effekts zu höheren Extrusionsgeschwindigkeiten verschieben zu können, basieren auf Fluorpolymerverbindungen, die einen hohen Materialpreis besitzen und ökologisch nicht unbedenklich sind. Als Alternative sind von Kulikov (2005) thermoplastische Elastomere (TPE) vorgeschlagen worden. Deren Anwendbarkeit hat Müller (2009) dargestellt. Aus beiden Arbeiten folgt eine Klassifizierung der Effektivität unterschiedlicher TPE-Typen, die bei beiden jeweils in Ansätzen diskutiert wird. Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Frage, worauf die experimentell bestimmten Effektivitätsunterschiede der thermoplastischer Elastomere als Additive zur sharkskin-Unterdrückung zurückzuführen sind. In rheologischen Untersuchungen ist die Gleitgeschwindigkeit einiger TPE-Typen gegen Stahl und die Gleitgeschwindigkeit in der polymeren Grenzfläche zwischen Polyethylen (PE) und TPE bestimmt worden. Die TPE-Typen niedriger Viskosität zeigen dabei eine deutlich höhere Gleitgeschwindigkeit gegenüber Stahl. Im Gegensatz dazu liegt die Gleitgeschwindigkeit in der polymeren Grenzfläche viskositätsunabhängig in gleicher Größenordnung. In beiden Fällen sind die Gleitgeschwindigkeiten direkt proportional der aufgeprägten Schubspannung. Die Materialien wurden weiterhin durch Messungen der ersten Normalspannungsdifferenz charakterisiert. Die Messdaten konnten qualitativ richtig mit den empirischen Beziehungen von Laun (1978, 1986) beschrieben werden. Unterschiede in der Gleitgeschwindigkeit und Normalspannung erklären jedoch nicht die unterschiedliche Wirksamkeit in der Unterdrückung des sharkskin-Effekts. Über die Betrachtung der Grenzflächenspannung zwischen PE und TPE sowie der daraus resultierenden Dispersionsstruktur, wie es bereits von Pötschke et al. (1997, 2002) beschrieben wurde, kann die unterschiedliche Effektivität der TPE-Typen letztlich erklärt werden. Im Ergebnis wird gezeigt, dass abhängig von der chemischen Struktur der Weichsegmente des TPE die Dispersionsstruktur unterschiedlich ist. Dabei zeigen TPE auf Polyester- oder Silikonbasis grobe Strukturen mit relativ großen Tropfen. Begründet ist dies durch den zweiphasigen Aufbau der TPE, in denen Hart- und Weichsegmente nebeneinander vorliegen. In der Schmelze kommt es zu einer Phasentrennung im TPE und im Kontakt mit PE lagern sich die Weichsegmente aufgrund unterschiedlicher Oberflächenspannungen in der Phasengrenzfläche an und bestimmten somit deren Eigenschaften. In Übereinstimmung mit den Erkenntnissen von Oriani und Chapman (2003) sind Additive zur sharkskin -Unterdrückung umso effektiver, je gröber die Dispersionsstruktur der Additivtropfen in der Polymermatrix sind. Anhand der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen lässt sich die Wirkung thermoplastischer Elastomere als Additive zur sharkskin -Unterdrückung umfassend erklären. Die Unterschiedliche Wirksamkeit beruht somit auf der Zweiphasigkeit der TPE und den aus der chemischen Basis folgenden unterschiedlichen Grenzflächenspannungen in Mischung mit PE infolge derer sich unterschiedliche Dispersionsstrukturen einstellen.