Modification of Interfacial Properties of Polypropylene Fibers using Hydrophilic Melt Additives – Interactions with Crystallization

Schmelzadditive sind Moleküle mit niedriger Molmasse, die Kunststoffen während der Verarbeitung zugesetzt werden können. Migrieren diese Moleküle an die Oberfläche, können die Eigenschaften der Polymeroberfläche spezifisch angepasst werden. Damit bieten Schmelzadditive eine einfach zu implementierende Methode zur Hydrophilierung hydrophober Polymere, wie z.B. Polypropylen. Um eine reproduzierbare Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, den komplexen Migrationsprozess zu verstehen und zu kontrollieren . Dieser wird durch Diffusion, Oberflächensegregation, Mischbarkeit oder die Polymermorphologie bestimmt.
Verschiedene kommerziell erhältliche Tenside (ethoxylierte Alkohole, PEO-PPO-Blockcopolymere, Sorbitanester) werden auf ihre Eignung als hydrophiles Schmelzadditiv untersucht. Um die Polymermorphologie und die Additivmigration zu korrelieren, wird eine Methode unter Verwendung der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) entwickelt, mit der sich der Kristallinitätsgrad und die Additivkonzentration an der Oberfläche und im Gesamtvolumen der Proben bestimmen lassen.
Es wird gezeigt, dass die Hydrophilierung der Oberfläche von der Additivoberflächenkonzentration, sowie von der Fähigkeit des Additivs, die Oberfläche benetzbar zu machen, abhängig ist. Ethoxylierte Alkohole mit einer niedrigen Molmasse, einem langen hydrophoben und einem kurzen hydrophilen Teil des Tensids ermöglichen die stärkste Hydrophilierung der Oberfläche. Durch die Untersuchung mittels Röntgenbeugung (XRD) und FTIR können neuartige Modelle für die Morphologieausbildung beim Spritzgießen, bei der Castfolienherstellung sowie dem Faserspinnen entwickelt werden. Die Migration von Additiven mit unterschiedlichen molekularen Architekturen wird über einen Zeitraum von 1000 Stunden bestimmt und mit Hilfe einer semiempirischen Migrationsgleichung beschrieben. Koeffizienten, die die Kinetik und Thermodynamik der Migration charakterisieren, werden in Abhängigkeit der wichtigsten Prozessparametern und der damit verbundenen Änderung der Polymermorphologie beschrieben.
Die Experimente zeigen, dass die Migration von der Packungsdichte der Polymerketten abhängt, die durch die molekulare Orientierung und (Nach-)Kristallisation des Polymers bestimmt ist. Neben der Polymermorphologie beeinflussen die Mischbarkeit von Additiv und Polymermatrix, die molekularen Dimensionen des Additivs und die Lagerbedingungen nach der Produktion (Zeit und Temperatur) die Migration. Im Rahmen dieser Arbeit konnten permanente Schmelzadditive für Polypropylen sowie Methoden zur selektiven Aktivierung der Hydrophilie gefunden werden.