Transversalisotrope, thermoviskoelastische Modellierung und Charakterisierung eines geschlossenzelligen Polymerstrukturschaumstoffs

Die steigende Bedeutung von Strukturpolymerschaumstoffen für den Einsatz in Sandwichbauteilen liegt in ihrer Fähigkeit, Gewicht und CO$_\text{2}$-Emissionen zu reduzieren, während sie gleichzeitig eine gute Biegesteifigkeit aufweisen. Strukturschaumstoffe auf Basis von Polyethylenterephtalat (PET) zeichnen sich durch ihre Recyclingfähigkeit und geringe Kosten aus.

In der vorliegenden Arbeit werden drei verschiedene Dichten eines geschlossenzelligen PET-Strukturschaumstoffs von AIREX® charakterisiert. Es kommen die Materialien T92.80 mit $\rho \approx 85~\text{kg/m}^3$, T92.100 mit $\rho \approx 100~\text{kg/m}^3$ und T92.130 mit $\rho \approx 135~\text{kg/m}^3$ zum Einsatz. ... mehrAufgrund der Herstellung im Strangschaumextrusionsverfahren weisen die Strukturschaumstoffe eine hexagonale Wabenstruktur auf. In Extrusionsrichtung sind die Schaumzellen verlängert und die Monomerketten sind ausgerichtet, sodass sich der Schaumkern transversalisotrop verhält. Das zeit-, richtungs- und temperaturabhängige Verhalten des PET-Strukturschaumstoffs wird untersucht.

Es werden Kompressionsversuche im Temperaturbereich zwischen $30 \text{°C}$ und $150 \text{°C}$ auf einer DMA 242 E Artemis von NETZSCH durchgeführt. Das Materialverhalten wird im Frequenzbereich zwischen $0.1~\text{Hz}$ und $50~\text{Hz}$ ermittelt. Die Materialien zeigen mit zunehmender Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur $T_G$ einen Anstieg des Speichermoduls und oberhalb von $T_G$ eine starke Abnahme des Speichermoduls. Es werden verschiedene Einflüsse der Schaumstruktur wie Oberflächeneffekte, Orientierungseffekte infolge der Extrusion oder der Ausdehnung des verbleibenden Treibmittels und ihre Auswirkungen auf den beobachteten Steifigkeitsanstieg untersucht. Grundlage für die Untersuchungen bilden zyklische Tests und der Einsatz von Probekörpern mit gefülltem Randbereich sowie getemperte Proben.

Die experimentellen Ergebnisse werden verwendet, um das in den Versuchen ermittelte Verhalten auf einen größeren Frequenz- bzw. Zeitbereich mittels des Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzips (ZTV) zu erweitern. Eine Überprüfung zur Anwendbarkeit des ZTV-Prinzips zeigt, dass das Materialverhalten die Voraussetzungen im experimentell betrachteten Temperatur- und Frequenzbereich nicht vollständig erfüllt. Folglich wird der betrachtete Temperatur- und Frequenzbereich für die Anwendung des ZTV-Prinzips eingeschränkt. Mit dem Arrhenius-Ansatz und der Williams-Landel-Ferry-Gleichung werden Materialparameter ermittelt und Masterkurven für die untersuchten Schaummaterialien
erstellt.

The increasing importance of structural polymer foams for use in sandwich components lies in their ability to reduce weight and CO$_\text{2}$ emissions, while at the same time exhibiting good flexural rigidity.
Structural foams based on polyethylene terephthalate (PET) are characterised by their recyclability and low costs.

In this thesis, three different densities of a closed-cell PET structural foam from AIREX® are characterised. The materials T92.80 with $\rho \approx 85~\text{kg/m}^3$, T92.100 with $\rho \approx 100~\text{kg/m}^3$ and T92.130 with $\rho \approx 135~\text{kg/m}^3$ are used. ... mehrDue to the production in the strand foam extrusion process, the structural foams have a hexagonal honeycomb structure. The foam cells are elongated in the direction of extrusion and the monomer chains are aligned so that the foam core behaves transversely isotropically. The time-, ~direction- and temperature-dependent behaviour of the PET structural foam is investigated.

Compression tests are carried out in the temperature range between $30 \text{°C}$ and $150 \text{°C}$ on a DMA 242 E Artemis from NETZSCH. The material behaviour is determined in the frequency range between $0.1~\text{Hz}$ and $50~\text{Hz}$. The materials show an increase in storage modulus with increasing temperature below the glass transition temperature $T_G$ and a strong decrease in storage modulus above $T_G$. Various influences of the foam structure such as surface effects, orientation effects due to extrusion or the expansion of the remaining blowing agent and their effects on the observed increase in stiffness are investigated. The investigations are based on cyclic tests and the use of test specimens with a filled edge area as well as tempered specimens.

The experimental results are used to extend the behaviour determined in the tests to a larger frequency and time range using the time-temperature-superposition principle (TTS). A review of the applicability of the TTS principle shows that the material behaviour does not fully meet the requirements in the temperature and frequency range considered in the experiments. Consequently, the temperature and frequency range considered for the application of the TTS principle is restricted. The Arrhenius approach and the Williams-Landel-Ferry equation are used to determine material parameters and create master curves for the analysed foam materials.