Molecular structure and constitutive modelling of polymer melts

Für die Verarbeitung von Polymerschmelzen ist deren nichtlinear-viskoelastisches Verhalten von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Verarbeitungsprozessen mit freien Oberflächen wie Folienblasen und Thermoformen. Bekanntlich ist die Rheologie von Polymerschmelzen von der Molekularstruktur abhängig. Will man die Prozesse der Kunststoffverarbeitung mit numerische Methoden simulieren, so ist es erforderlich, eine zuverlässige rheologische Zustandsgleichung einzusetzen, die mit möglichst wenigen Materialparametern in der Lage ist, das rheologische Verhalten von verschiedenartigen Polymerschmelzen quantitativ zu beschreiben. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Molekularstruktur von verschiedenen Modellpolymeren insbesondere auf die bezüglich der Struktur besonders empfindliche Dehnrheologie zu untersuchen und aufbauend auf diese Analyse rheologische Zustandsgleichungen zu formulieren.

Modellpolymere haben den Vorteil, dass man den Einfluss einer spezifischen Struktur und einer spezifischen Molmassenverteilung auf das nichtlinear-viskoelastische Verhalten der Schmelze isoliert betrachten kann. Auf diese Weise kann man versuchen, eine Hierarchie von Einflussfaktoren zu identifizieren und darauf eine entsprechende Modellierung aufzubauen.

Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von in der Literatur vorliegenden experimentell gewonnenen Dehnviskositätsdaten von (1) monodispersen linearen Polymerschmelzen (Luap et al. 2005), (2) bidispersen linearen Polymerschmelzen (Nielsen et al. 2006a), (3) monodispersen langkettenverzweigten Modellpolymeren (sogenannte Pom-Pom-Moleküle, Nielsen et al. 2006b) und (4) polydispersen langkettenverzweigten Kammpolymeren analysiert.

Die Analyse der experimentellen Daten wurde auf Basis des von Wagner et al. (2005a) entwickelten „Molecular Stress Function“ (MSF) Modells durchgeführt, in das das Konzept des „interchain pressure“-Terms nach Marrucci und Ianniruberto (2004) integriert wurde.

Im Ergebnis konnte die Vielseitigkeit des MSF-Modells bestätigt werden, mit dem eine quantitative Beschreibung der nichtlinear-viskoelastischen Rheologie aller vier betrachteten Modellpolymere gelingt. Dabei bleibt die Formulierung des Spannungstensors als Gedächtnisintegral über Orientierung und Streckung der Makromoleküle gleich, unabhängig von der spezifischen Struktur der Polymerschmelze. Dagegen hängt die Entwicklungsgleichung für die Molekülstreckung von den Strukturparametern ab, wobei sich in der Tat eine Hierarchie der Einflussgrößen von der Röhrendurchmesser-Relaxationszeit (monodisperse lineare Polymere) über den Verdünnungseffekt (bidisperse lineare Polymere) bis zum Verzweigungsgrad (Pom-Pom-Polymer) ergibt.