In-situ Small-Angle X-Ray Scattering Investigation of Transient Nanostructure of Multi-Phase PolymerMaterials Under Mechanical Deformation

Abstract

Der Bedarf an leichten Materialien mit maßgeschneiderten physikalischen und mechanischen Eigenschaften nimmt stetig zu. Polymer-Multiphasen-Materialien (wie Copolymere, Mischungen und Verbundwerkstoffe) versprechen ein ausgezeichnetes Potential mehrere Funktionen zusammenzubringen. Die Entwicklung neuer Materialien mit den gewünschten Eigenschaften erfordert fundierte Kenntnisse der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Polymeren. Für die Erfassung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist die Kombination von Struktur- Charakterisierungsmethoden mit mechanischen Tests nötig. In-situ-Röntgenstreuung während der Verformung ist eine der vielseitigsten Verfahren dieser Art der Untersuchungen. In dieser Arbeit wurde die Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) während dem uniaxialen Strecken von orientierten Polymer-Materialien verwendet. Direkte Auswertung der aufgezeichneten SAXS-Muster ermöglicht nur eine grobe Schätzung der strukturellen Übergänge. Weitere Informationen über die Nanostruktur erhält man durch die Berechnung der Segmentverteilungsfunktion (CDF). Die einzige erforderliche Annahme ist eine Multiphasen-Struktur. Die CDF zeigt die strukturelle Informationen im realen Raum. Die Peak-Analyse der CDFs gibt Aufschluss über die Langperiode, die Langperioden-Distribution, die Domänen-Anordnung und das laterale Ausmaß der Domänen. Darüber hinaus können die lokale nanoskopische Elongation und die nanoskopische Elongationsheterogenität geschätzt werden. Die nanostrukturellen Parameter werden mit dem mechanischen Verhalten der untersuchten Materialien in Beziehung gesetzt. Um die Eignung der Methode zu demonstrieren, wurden drei Klassen von Polymeren untersucht, nämlich i. ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer (TPU), ii. Polypropylen (PP) und dessen Nanokomposite mit Montmorillonit (MMT), und iii. auf Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polyamiden (PA6 und PA12) basierende mikrofibrille Verbundwerkstoffe (MFC). Die Ergebnisse legen nahe, dass niedriggeordnete Materialien wie TPU eine nicht-affine Verformung auf der nanoskopischen Skala zeigen. Anders gesagt hängt die nanoskopische Elongation einer Domäne von ihrer Dicke ab. Hochgeordnete Materialien wie HDPE und PP zeigen eine affine Deformation auf der nanoskopischen Skala. Dies bedeutet, dass alle Lamellen-Stapeln fast die gleiche Verformung erleben. Allerdings ist die nanoskopische Elongation – berechnet aus dem Maximum des Langperiode-Peaks – kleiner als der makroskopischen Elongation in allen untersuchten Materialien. Dies zeigt, dass die gut korrelierte Stapeln (Domänen) weniger verformen als der Rest des Materials. Weitere Ergebnisse betreffen Mikrorissbildung, spannungsinduzierte Kristallisation und die Entwicklung der nanoskopischen Parameter während der kontinuierlichen Dehnung und Lastwechseltests.

There is an increasing demand for low-weight materials with tailored physical and mechanical properties. Polymeric multi-phase materials (such as copolymers, composites and blends) promise an excellent potential for hosting several functions. Designing new materials with desired properties requires deep knowledge of structure-property-relationship of polymers. In order to build up structureproperty- relations one has to combine structure-characterization methods with mechanical tests. In-situ X-ray scattering measurement during deformation is one of the most versatile techniques for this kind of investigations. In this work small-angle X-ray scattering (SAXS) is applied during uniaxial stretching of oriented polymer materials. Direct analysis of the recorded SAXS patterns enables only a rough estimation of the structural transitions. More information is obtained by computing the chord distribution function (CDF). The only required assumption is a multi-phase structure. The CDF reveals the structural information in real space. From the peak-analysis of CDFs information about long period, long period distribution, domains shape and arrangement, and lateral extension of the domains are obtained. Furthermore, local nanoscopic strain and nanoscopic strain-heterogeneity can be estimated. The nanostructural parameters are correlated with the mechanical behavior of the investigated materials. In order to demonstrate the power of the method three classes of polymers are studied; namely i. a thermoplastic polyurethane elastomer (TPU), ii. polypropylene (PP) and its nanocomposites containing montmorillonite (MMT), and iii. microfibrillar reinforced composites (MFCs) based on high-density polyethylene (HDPE) and polyamides (PA6 and PA12). The results suggest that low-ordered materials such as TPUs exhibit non-affine deformation at the nanoscopic scale. In other words, the nanoscopic strain of a domain depends on its thickness. High-ordered materials such as HDPE and PP exhibit affine deformation at nanoscopic scale. This means that all lamellae stacks experience almost the same deformation. However, the nanoscopic strain – computed from the maximum of long period peak – is smaller than the macroscopic strain in all studied materials. This indicates that the well-correlated stacks (domains) deform less than the rest of the material. Other results concern void formation, strain-induced crystallization and evolution of nanoscopic parameters during continuous stretching and load-cycling tests.