Kristallisation von Polypropylen

Teilkristalline thermoplastische Kunststoffe wie Polypropylen eignen sich zur Herstellung schlagzäher Spritzguß Teile.

Als Rohstoff für eingefärbte Formteile, dient ein mit Pigmenten versetztes Granulat.

Der Spritzgießprozeß wird vielfach

von Prozessrechnern gesteuert, die Masse, Temperatur, Druck, Abkühlung und Taktzeit bestimmen.

Die Teile werden ausgestoßen und fallen aufs Band.

Die mechanischen Eigenschaften hängen ab von der Feinstruktur des Polymerisats. Unter dem Polarisationsmikroskop zeigen durchsichtige, 20 Mikrometer dicke Materialproben aus reinem Polypropylen infolge doppelbrechender Eigenschaften verschiedene Bereiche partieller Kristallisation. Oben radial gewachsene Sphärolite unterschiedlicher Größe. Unten links ausgerichtete faserartige Dendrite. Staubfasern wirken als Keimbildner rechts unten. Im Allgemeinen beobachtet man Mischformen von dendritischen Kristallen an der Formteiloberfläche

und Sphärolite im Inneren. Bei keimbildnerfreien Homopolymerisaten hängen Form und Größe der Kristallite vornehmlich ab von den Abkühlbedingungen in der Schmelze. Die Kristallisation wird im

Folgenden zeitgerafft wiedergegeben. Hier eine homogene Schmelze von Polypropylen im Heiztisch bei langsamem Absenken der Temperatur bis dicht unterhalb des Schmelzpunkts. Das Bildfeld ist etwa 600 Mikrometer breit. Wegen der beschränkten Dicke des Präparats sind die Erstarrungsfronten der Sphärolite nicht wie in dickeren Proben Kugeloberflächen sondern Kreise, solange bis sie sich gegenseitig berühren. Von da an ergeben sich bei einheitlicher Wachstumsgeschwindigkeit geradlinige Grenzen. Diese stellen in Wahrheit ebene Flächen dar.

Bei rascher Abkühlung setzt die Kristallisation an vielen Stellen gleichzeitig ein. Es entsteht ein feinsphärolitisches Gefüge. Bisher war die Temperatur im gesamten Präparat gleich. Wird innerhalb des Bildfeldes durch einseitige Abkühlung - links - ein großer Temperaturgradient zwischen linkem und rechten Rand erzeugt, hier 10 Grad Celsius pro Millimeter, so schreitet die Erstarrungsfront von links nach rechts rasch voran.

Das führt zu gerichtetem dendritischen Kristallwachstum.

In der Regel treten innerhalb eines Formteils beide Kristallisationsformen nebeneinander auf. Je nach den lokalen Temperaturgradienten. Am Rand links bevorzugt Dendrite,

und im Inneren vorwiegend Sphärolite.

Enthält das Polymerisiat Keime, so setzt unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit die Kristallisation dort zuerst ein. Auch Staubteilchen von wenigen Mikrometer Durchmesser können die Kristallisation der Schmelze einleiten.

Hier ein gespleißter Asbestfaden. Reines Homopolymerisat bildet ausgehend von Fremdkeimen vor allem Sphärolite. Nach dem wieder Aufschmelzen bis knapp über den Schmelzpunkt und darauf folgender erneuter langsamer Abkühlung, kristallisieren die Sphärolite an praktisch denselben Stellen wie zuvor. Anders beim Erwärmen bis weit über den Schmelzpunkt hinaus. Nach dem langsamen Abkühlen beginnt die Kristallisation auch an anderen Stellen des Fremdkörpers.

Setzt man Homopolymerisaten gezielt Keimbildner hinzu, so entstehen nahezu unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit des Präparats, hier mit 0,1 % Keimbildner, nur noch kleine Sphärolite.

Erhöhte Keimbildner Konzentration, hier 0,5 %, hat noch kleinere Sphärolite zur Folge.

Bei Abkühlung eines Polypropylen Copolymers führt die im Vergleich zum Homopolymerisat veränderte chemische Struktur bei sonst gleichen Abkühlungsbedingungen vorzugsweise zur Ausbildung von kleinen Kristalliten.

Noch kleinere Sphärolite und feinere Dendrite erhält man selbst bei langsamer Abkühlung, wenn dem Copolymer noch Keimbildner zugesetzt wird.

Im Falle wirksamer Temperaturgradienten beobachtet man zwar insgesamt eine gerichtete Erstarrung, nun jedoch als Mischformen dendritischer und sphärolitischer Kristallite.

Die kristalline Überstruktur in Polypropylen wird durch drei verschiedene Faktoren beeinflußt. Zunächst durch die Molekülstruktur. Links erstarrtes Homopolymer, rechts Copolymer. Außerdem durch die Temperaturänderung. Bei rascher Abkühlung links, entstehen kleinere Sphärolite als bei langsamer Abkühlung rechts. Dendrite erhält man mit größeren Temperaturgradienten. Hier 20 Grad Celsius pro Millimeter. Schließlich erlaubt der Zusatz von Keimbildnern zwischen 0,1 % und 0,5% die gezielte Veränderung des Gefüges im erstarrten Polymerisat. Damit ändern sich auch die Eigenschaften der Fertigprodukte.