[Back]

I. Steinberger:
"Polyethylen-Polypropylen Blends: Einfluss der Peroxidzumischung";
Supervisor: V. Archodoulaki, T. Koch; Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2020; final examination: 2020-04-23.

Long chain branching via reactive extrusion is a method to improve melt properties (e.g.melt strength, strain hardening) of polypropylene (PP). Due to its accessibility and low cost it allows expansion of the application field of PP in a viable way. In the present work, two different peroxides were used for melt modification: Peroxan C126 (PODIC) and Peroxan HX (HX) in combination with styrene. To simulate industrial conditions in recycling processes of PP post-consumer waste, where polyethylene (PE) impurities are often found, PP/PE blends were studied.
Long chain branching is usually the only desired reaction after the addition of peroxide, however, due to the system´s complexity, polyolefine macroradicals also undergo undesi- red secondary reactions. PP degrades due to chain scission, while PE cross-links and even a homopolymerization of the added monomer is possible. Different methods - infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), scanning elec- tron microscopy (SEM), rheology, and tensile tests at elevated temperatures - are used to analyze the effects of these competing reactions.
To investigate the presence of long chain branches, FTIR analysis turns out to be suitable only to a limited extent. However, in combination with SEM and NMR measurements, it is proven that no ungrafted polystyrene units are formed in the samples.
Rheological investigations show that, compared to PODIC, HX is more likely to un- dergo undesired side reactions, such as cross-linking of PE. Blends with 10% PE show cross-linking after addition of HX, while samples with PODIC lack signs of cross-linking. Results also suggest that PP degradation is more moderate when using PODIC instead of HX. Nonetheless, adding styrene to blends with HX reduces the peroxide-induced de- crease in viscosity through grafting.
In the present work, tensile tests at elevated temperatures are used as an innovative method to investigate reactions caused by peroxide in PP/PE blends. In contrast to ex- tensional rheology, this method differentiates between long chain branches and cross-links, allowing to identify the cause of strain hardening behavior and therefore seeming promi- sing for future investigations in this field.

Die Pfropfung von Langkettenverzweigungen mittels Reaktivextrusion ist ein geeignetes Verfahren, um die Schmelzefestigkeit des Polypropylens (PP) zu verbessern. Es besitzt aufgrund der Zugänglichkeit und geringen Kosten große wirtschaftliche Bedeutung zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von PP. In vorliegender Arbeit wurden zwei Per- oxide herangezogen: Peroxan C126 (PODIC) und Peroxan HX (HX). Im System HX kam Styrol als reaktives Monomer zum Einsatz. Um die industriellen Bedingungen in Recy- clingprozessen abzubilden, wo Polyethylen (PE) oft als Verunreinigung bei PP-Abfällen vorzufinden ist, wurden PP/PE-Blends untersucht.
Das Pfropfen ist in der Regel die einzige gewünschte Reaktion nach der Zugabe von Peroxid, allerdings ist das Pfropfsystem wegen der möglichen Konkurrenzreaktionen sehr komplex. Die unerwünschten Reaktionen in einem PP/PE-Blend reichen von Vernetzung des PE und Kettenabbau des PP bis hin zur Polymerisation des hinzugefügten Monomers. Um diese Reaktionen zu analysieren, wurde die Aussagekraft unterschiedlicher Methoden - Infrarotspektroskopie (FTIR), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Rasterelektro- nenmikroskopie (REM), Rheologie und temperierte Zugversuche - untersucht.
Die FTIR Methode stellte sich als bedingt geeignet heraus, um das Vorhandensein von Langkettenverzweigungen zu untersuchen. Die Ergebnisse der REM- und NMR-Messungen im System HX+Styrol konnten jedoch Beweise dafür liefern, dass es in den Proben nicht zur Bildung von ungepfropften Polystyrol-Einheiten kam.
Der rheologische Vergleich zeigte, dass HX aufgrund der höheren Reaktivität - im Ver- gleich zu PODIC - stärker dazu tendiert, Nebenreaktionen, wie die Vernetzung von PE, einzugehen. Durch die Zugabe von HX kam es bei PP/PE-Blends ab einem Anteil von 10% PE zur Vernetzung. Die Zugabe von PODIC bewirkte hingegen keine PE-Vernetzung. Die PP-Degradation war bei Verwendung von PODIC kontrollierter als bei HX. Es zeigte sich jedoch ebenfalls, dass eine Zugabe von Styrol die durch HX induzierte Abnahme der Viskosität verringert, da Styrol die Degradation der Ketten durch Pfropfung mildert.
Als innovative Methode wurden Zugversuche bei erhöhter Temperatur herangezogen, um die durch Peroxid verursachten Reaktionen in einem PP/PE-Blend zu untersuchen. Diese Methode ermöglichte im Rahmen dieser Arbeit eine Unterscheidung zwischen Langketten- verzweigungen und Vernetzungen. Da mittels der gängigen Methode der Dehnrheologie die Ursache für die Dehnverfestigung bisher nicht eindeutig zugeordnet werden konnte, scheinen temperierte Zugversuche in dieser Hinsicht vielversprechend und können als Aus- gangspunkt für weitere Forschungen auf diesem Gebiet dienen.

PP/PE blends; reactive extrusion; FTIR