Preparation and characterization of polyimide-based composites

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Herstellung verschiedener Polyimidpartikel-verstärkter Komposite, welche Poly(p-phenylenpyromellitimid) (PPPI) als Verstärkung enthalten, mit folgender mechanischer, thermischer und mikrostruktureller Charakterisierung. PPPI wurde in Form hochkristalliner Partikel über Hydrothermalsynthese (HT) unter hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt. Die Polyimidpartikel (HT-PPPI) weisen aufgrund ihrer strengen kristallinen Struktur einzigartige Eigenschaften auf, wie einen hohen theoretischen Elastizitätsmodul und eine hohe thermische Stabilität. Aufgrund dieser Eigenschaften ist PPPI ein vielversprechendes Material für die Verwendung in Polymerkompositen, mit Anwendungen in der Elektronik-, Automobil- und Raumfahrtindustrie. Es wurden drei unterschiedliche Matrixmaterialien, darunter zwei Polyimide (P84 NT, P84) und ein Epoxidsystem untersucht. Als erstes Matrixpolymer wurde P84 NT-Polyimidpulver für Direktformen und Heißpressen verwendet. Als zweites Matrixpolymer wurde P84-Polyimidpulver im Heißpressverfahren (HCM) verwendet. Hier wurden drei verschiedene Partikelgrößen des P84-Pulvers sowie verschiedene Pulvermischtechniken und Pressdrücke während des HCM untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Amine (Hexamethylendiamin, 1,2-Diaminocyclohexan und Polyetheramine) als Grenzflächenmodifikation untersucht. Als drittes Matrixmaterial wurde ein heißhärtendes Epoxidharz auf Bisphenol A-Basis mit einem Aminhärter auf Basis von 1,2-Diaminocyclohexan und Diethyltoluoldiamin verwendet. Um die PPPI-Partikel in das Harz einzubringen, wurde eine Ultraschallbehandlung und Hochgeschwindigkeitsrühren angewendet. Für die mechanische und thermische Charakterisierung der Verbundproben wurden Dreipunktbiegetests, dynamisch-mechanische Thermoanalyse, Vickers-Härte, Nanoindentation und thermogravimetrische Analyse verwendet. Zur Analyse der Mikrostruktur wurden Rasterelektronenmikroskopie und verschiedene Lichtmikroskopietechniken eingesetzt. Die P84 NT-Verbundwerkstoffe zeigten Probleme in ihrer strukturellen Integrität und Dichte und wurden daher nicht im Detail untersucht. Bei den P84-Kompositen nahmen die Biegefestigkeit und die Dehnung ab, während bei Zugabe von PPPI keine Änderung der Härte oder der Glasübergangstemperatur beobachtet wurde. Ein signifikanter Anstieg des Biege-, Speicher- und Eindruck-Moduls wurde beobachtet. Die Zugabe von Hexamethylendiamin als Grenzflächenmodifikation zeigte eine Zunahme der Festigkeit und Dehnung im Vergleich zu den nicht modifizierten Proben. Die thermische Stabilität wurde durch die Zugabe von PPPI in die P84-Matrix nicht beeinflusst. In diesen Proben wurde eine anisotrope, jedoch homogene Mikrostruktur beobachtet, welche bei unterschiedlichen Testrichtung die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist. Bei den Epoxid-Verbundwerkstoffen wurden der Biege-, Speicher-, Eindruck- und Elastizitätsmodul mit zunehmendem Füllstoffgehalt signifikant erhöht. Die Biegefestigkeit blieb mit einem zunehmenden PPPI-Gehalt gleich, während die Biegedehnung abnahm. Bei Zugversuchen nahmen Festigkeit und Dehnung bis zum Bruch ab. Die Glasübergangstemperatur des Komposits nahm mit zunehmendem PPPI-Gehalt signifikant ab, während sich die thermische Stabilität erhöhte. In diesen Proben konnte eine isotrope und homogene Mikrostruktur beobachtet werden. Dies lässt den Schluss zu, dass ein Einbau der HT-PPPI-Partikel in diese Matrixpolymere möglich ist. Bei den epoxidbasierten Proben konnten positive Effekte hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften beobachtet werden, was diese Kombination zu einem interessanten Material für zukünftige Untersuchungen macht.

The objective of this work was the preparation of different polyimide-particle-reinforced composites containing poly(p-phenylene pyromellitimide) (PPPI) as reinforcement, and their mechanical, thermal and microstructural characterization. PPPI was produced as highly crystalline particles by hydrothermal (HT) synthesis, under high pressure and temperature. Due to their strict crystalline structure, these novel polyimide particles (HT-PPPI) show unique properties, such as a high theoretical youngs modulus and high thermal stability. Because of these properties, PPPI is a promising material for the use in lightweight polymer composites, with a high application potential in the electronic, automotive and aeronautic sector. Three distinct matrix materials were investigated including two polyimide materials (P84 NT, P84) as well as an epoxy-based material. P84 NT-polyimide powder was investigated as matrix compound in direct forming and hot compression moulding (HCM). P84polyimide powder was studied for its use in HCM processing. Three different particle sizes of the P84 powder, different powder mixing techniques and pressures during HCM were investigated. Furthermore, the influence of different amines (hexamethylenediamine, 1,2-diaminocyclohexane and polyetheramines) for interfacial surface-modification were analysed. As a third matrix material, a Bisphenol A based hot curing epoxy resin with an amine hardener (based on 1,2-diaminocyclohexane and diethyltoluoldiamine) was used. To incorporate the PPPI-particles into the resin, ultra-sonication and high-speed stirring was applied. The mechanical and thermal properties of the composite samples were characterized by three point bending tests, tensile tests, dynamic mechanical thermal analysis, Vickers hardness, nanoindentation and thermogravimetric analysis. The microstructure was analysed using SEM and light microscopy techniques. The P84 NT composites exhibited problems in their structural integrity and density, and were therefore not investigated in detail. In case of the P84 composites, the flexural strength and strain decreased while no difference in hardness or glass transition temperature was observed. A significant increase of flexural, storage, and indentation modulus could be observed. The addition of hexamethylenediamine as surface modification resulted in an increase in strength and strain relative to the unmodified samples. The thermal stability was unaffected by the addition of PPPI in the P84 matrix. In these samples an anisotropic but homogenous microstructure exhibiting the same mechanical properties in different testing directions could be observed. In the epoxy composites, flexural, storage, indentation, and Youngs modulus increased significantly with increasing filler content. Flexural strength was consistent with an increasing PPPI content, while the flexural strain decreased. In case of tensile testing, the strength and strain until break decreased. The glass transition temperature of the composite decreased significantly with increasing PPPI content, while thermal stability was increased. In these samples an isotropic and homogenous microstructure could be observed. This leads to the conclusion that an incorporation of the HT-PPPI particles into these matrix polymers is possible. In the case of the epoxy-based samples, preferable effects could be observed, which makes this combination an interesting material for future investigations.