charakterisierung hochgefüllter graphit-compounds zur ......dazu sollte ein grundlegendes...

Deutsches Kunststoff-Institut

304 ZN

IGF-Vorhaben-Nr

01012009 bis 28022011

Bewilligungszeitraum

Abschlussbericht fuumlr den Zeitraum 01012009 bis 28022011

zu dem aus Haushaltsmitteln des BMWi uumlber die

gefoumlrderten Forschungsvorhaben

Forschungsthema

Charakterisierung hochgefuumlllter Graphit-Compounds zur

Auslegung und Optimierung des Spritzgieszligprozesses

fuumlr Bipolarplatten in Brennstoffzellen-Anwendungen

Zusammenfassung

Ziel des Projektes war es innovativen kmU den Zugang zur wirtschaftlichen Entwicklung

Konstruktion und Herstellung von spritzgegossenen Bipolarplatten aus hochgefuumlllten Graphit-

Compounds zu ermoumlglichen Dazu sollte ein grundlegendes Verstaumlndnis der Zusammenhaumlnge

zwischen Fuumlllstoff Matrix und Verarbeitung in Bezug auf die rheologischen und thermischen

Eigenschaften hochgefuumlllter Graphit-Compounds erreicht werden Damit wird die Auslegung von

Formteilen und Werkzeugen sowie die Optimierung der Verfahrensparameter durch eine

Prozesssimulation ermoumlglicht

Werkstoffseitig wurden die Weiterentwicklung hochgefuumlllter Graphit-Compounds mit

Polypropylenmatrix sowie die rheologische Charakterisierung dieser Materialien unter

verarbeitungsnahen Bedingungen erreicht Innerhalb der umfangreichen systematischen Material-

entwicklung wurde eine umfassende Charakterisierung und Weiterentwicklung graphitgefuumlllter

Compounds auf Polypropylenbasis durchgefuumlhrt und eine optimierte Compound-Rezeptur fuumlr

Bipolarplatten erarbeitet Dabei konnte der Einfluss unterschiedlicher Graphitgehalte

Graphittypen und Partikelgroumlszligen sowie die Kombination mit Leitruszligen auf die rheologischen

thermischen und elektrischen Materialeigenschaften analysiert und bewertet werden

Mit der entwickelten Rheologieduumlse fuumlr die Spritzgieszligmaschine konnten direkt an der

Verarbeitungsmaschine rheologische Kennwerte ermittelt und der im Verbund Fuumlllstoff Matrix

und Verarbeitung bisher nicht zugaumlngliche Verarbeitungseinfluss auf die o g Wirkzusammen-

haumlnge bestimmt verstanden und gezielt beeinflusst werden Letztlich konnte mit der

Rheologiemessduumlse ein Verfahren aufgebaut werden mit dem sich in einem groszligen Temperatur-

und Schergeschwindigkeitsbereich reproduzierbare Rheologiekurven unter verarbeitungsnahen

Bedingungen ermitteln lassen

Verfahrensseitig konnte eine praumlzise und aussagekraumlftige Berechnung und Auslegung

graphitgefuumlllter Formteile mit Hilfe der Spritzgieszligsimulation erzielt werden Fuumlr die mit

Graphiten und Ruszlig gefuumlllten Compounds konnten zur Beschreibung der Viskositaumlts- pvT- und

Kaloriemetriedaten geeignete Modelle entwickelt werden die die Compoundeigenschaften auf

die Eigenschaften der einzelnen Komponenten und deren Massen- bzw Volumenanteil und

spezifische Oberflaumlchen zuruumlckfuumlhren Dadurch koumlnnen zB Viskositaumlts- und pvT-Daten

hochgefuumlllter Compoundvarianten ohne direkte Messung an diesen Varianten mit guter

Genauigkeit aus einfachen Modellen ermittelt werden Das erzielte Ergebnis geht damit noch uumlber

das Antragsziel hinaus

Wesentliche neue Erkenntnisse konnten auch bei der experimentellen Ermittlung des

Waumlrmeuumlbergangs zwischen Formteil und Spritzgieszligwerkzeug erzielt werden Dabei wurden

sowohl material- als auch prozessseitige Einflussfaktoren untersucht Hier konnten erstmals

praumlzise Daten zum Waumlrmeuumlbergang zwischen Formteil und Werkzeugwand in Abhaumlngigkeit vom

wirksamen Nachdruck ermittelt werden Dabei wurden nicht nur hochgraphitgefuumlllte Compounds

sondern auch Formmassen mit geringeren Fuumlllgraden und das ungefuumlllte Matrixmaterial

untersucht Die Ergebnisse gehen damit in ihrer Bedeutung weit uumlber den Anwendungsbereich

der houmlchstgefuumlllten Formmassen hinaus

Mit den gemessenen Stoffdaten konnten die Spritzgieszligversuche an Bipolarplatten mit sehr guter

Genauigkeit vorhergesagt und damit auch validiert werden Mit Hilfe der durchgefuumlhrten

Simulationen konnten klare Aussagen zur weiteren Entwicklung von Compoundmaterial

Werkzeug und Spritzgieszligprozess von hochgraphitgefuumlllten Bipolarplatten aufgezeigt und

umgesetzt werden

Das Ziel des Vorhabens wurde vollstaumlndig erreicht

Inhalt

1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 1

11 Einfuumlhrung 1

12 Motivation und Problemstellung 2

2 Stand der Technik 5

21 Bipolarplatten in PEM-Brennstoffzellen 5

22 Werkstoffe fuumlr Bipolarplatten 10

23 Fertigung von Bipolarplatten aus Graphit-Polymer-Compounds 12

3 Forschungsziel 14

4 Entwicklung von Polypropylen-Graphit-Compounds 15

41 Materialauswahl 15

42 Compoundierprozess 17

43 Charakterisierung der Materialeigenschaften 19

431 Bestimmung der Dichten und Fuumlllstoffgehalte 19

432 Ermittlung der rheologischen Eigenschaften 19

433 Bestimmung der Waumlrmeleitfaumlhigkeit 22

434 Ermittlung der elektrischen Eigenschaften 22

435 Ermittlung der mechanischen Materialkennwerte 24

44 Binaumlre Compoundvarianten mit verschiedenen Graphittypen 25

441 Dichten und Fuumlllstoffgehalte 27

442 Rheologische Eigenschaften 27

443 Thermische Eigenschaften 29

444 Elektrische Eigenschaften 33

445 Mechanische Eigenschaften 35

446 Bewertung der Materialentwicklung Stufe 1 35

45 Binaumlre Compoundvarianten mit verschiedenen Graphitpartikelgroumlszligen 36







46 Ternaumlre Compoundvarianten unter Zugabe verschiedener Leitruszligtypen 45






5 Einsatz des Premonitoring-Systems und Ermittlung von Prozessfenstern 54

51 Entwicklung des Premonitoring-Systems 54

52 Verifizierung des Premonitoring-Systems und Ermittlung verarbeitungsspezifischer

Einfluumlsse 58

53 Untersuchung des thermischen Abbaus 65

6 Modellierung der Materialeigenschaften von Polypropylen-Graphit-Compounds 67

61 Erweiterung der Materialdatenbasis 67

611 Viskositaumlt der Modell-Compounds 69

612 Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Modell-Compounds 70

613 Spezifische Waumlrmekapazitaumlt der Modell-Compounds 73

614 Spezifisches Volumen der Modell-Compounds 75

62 Viskositaumltsmodell 78

63 Waumlrmeleitfaumlhigkeitsmodell 86

64 Berechnung der spezifischen Waumlrmekapazitaumlt 88

65 Berechnung der pvT-Daten 89

7 Spritzgieszligen und Spritzgieszligsimulation 91

71 Untersuchungen zum Waumlrmeuumlbergang beim Spritzgieszligen 91

711 Entwicklung des Versuchswerkzeugs 92

712 Experimentelle Ermittlung der Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten 94

713 Webapplikation 100

72 Spritzgieszligen von Formteilen aus Polypropylen-Graphit-Compounds 100

721 Flieszligspiralen 101

722 Einfache plattenfoumlrmige Formteile 103

723 Bipolarplatten 104

73 Spritzgieszligsimulation von Formteilen aus Polypropylen-Graphit-Compounds 108




734 Werkzeugoptimierung 116

8 Vergleich des Forschungsziels mit den Ergebnissen 118

9 Wirtschaftliche Bedeutung fuumlr kleinere und mittlere Unternehmen 120

10 Veroumlffentlichungen 121

A Anhang 123

A1 Materialdaten fuumlr die Spritzgieszligsimulation 123

A11 Cadmould 3D-F 123

A12 Moldex3D 125

A2 Abkuumlrzungen und Formelzeichen 127

B Verzeichnisse 130

B1 Abbildungen 130

B2 Tabellenverzeichnis 134

B3 Literaturverzeichnis 135

1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

1


11 Einfuumlhrung

Auf dem weltweit und konsequent von Deutschland eingeschlagenen Weg der Reduzierung des

globalen CO2-Ausstoszliges kommt der Brennstoffzellentechnik eine zentrale Rolle zu sei es im

stationaumlren Bereich im Automobilbereich oder in kleinen Anwendungen fuumlr autarke portable

Systeme [HEI06] Der absehbare Bedarf an deutlich effizienteren Verfahren der Stromerzeugung

fuumlhrte in den 1990er Jahren zu ersten Machbarkeitsstudien und Brennstoffzellen-Prototypen wie

den NECAR I-V [ROD03] Die Technologie wird seither von verschiedenen Branchen mit

Hochdruck zur Marktreife entwickelt

Bipolarplatte Diffusionsfilz (GDL)

Dichtung Membran-Elektroden-Einheit (MEA)

Bipolarplatte

Abb 11 Wiederholkomponenten der Brennstoffzelle (ZBT)

Allerdings wurden die Mitte der 90er Jahre fuumlr den Einsatz der Brennstoffzellentechnik

prognostizierten Wachstumszahlen aus verschiedenen Gruumlnden nicht erreicht unter anderem auch

aufgrund der zu hohen Produktionskosten der zu diesem Zeitpunkt verfuumlgbaren Brennstoffzellen

und der daraus resultierenden mangelnden Wettbewerbsfaumlhigkeit gegenuumlber etablierten Systemen

Die breite Markteinfuumlhrung zB in Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV)

oder in portablen Anwendungen wie zB Camcordern Handys Notebooks oder tragbaren Fax-


2

und Kopiergeraumlten ist zeitlich als erstes zu erwarten Brennstoffzellensysteme mit geringen

Leistungen sind schon jetzt im Handel zu erwerben allerdings fuumlr einen z Zt sehr hohen Preis

pro Energieeinheit der gegenuumlber etablierten Systemen nicht wettbewerbsfaumlhig ist [MUumlL06]

Dieser Kostendruck durch eingefuumlhrte Konkurrenzprodukte (herkoumlmmliche verbrauchsoptimierte

Antriebskonzepte oder Hybridsysteme fuumlr Automobile preiswerte benzin- oder dieselbetriebene

Stromerzeuger Batterien) fuumlhrte bei der Entwicklung der Brennstoffzellentechnik neben

verfahrenstechnischen Optimierungen zu verstaumlrkten Bemuumlhungen einer wirtschaftlicheren

Herstellung von zentralen Brennstoffzellen-Komponenten

Im Besonderen zaumlhlen dazu die Fertigungsverfahren der in Abb 11dargestellten Wiederhol-

komponenten der Brennstoffzelle namentlich die reaktionsaktive Mehrlagen-Membran die

Dichtungen und die Bipolarplatte Zur Kommerzialisierung ist eine deutliche Reduzierung der

Fertigungskosten aller Komponenten ndash im Speziellen aber der Bipolarplatten ndash zwingend

notwendig [MEH03]

12 Motivation und Problemstellung

Bipolarplatten muumlssen unterschiedlichste Anforderungen wie elektrische und thermische Leit-

faumlhigkeit Gasdichtigkeit und mechanische Stabilitaumlt unter Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen

erfuumlllen Dazu zaumlhlen Betriebstemperaturen von 60 - 90degC fuumlr Niedertemperatur-(NT)-Membran-

brennstoffzellen ein stetig anliegendes elektrisches Potential von 05 - 10 V eine sehr feuchte

Umgebung und ein pH-Wert von etwa 1 - 4 je nach Kontakt Selbst Werkstoffe wie Staumlhle und

Stahllegierungen koumlnnen diesen Bedingungen ohne aufwaumlndige Beschichtung nur ca 5000 h (bei

80degC) widerstehen bevor es zu Korrosion und membranschaumldigender Ionenausloumlsung kommt

[HER05 MEH03 RAU99]

Der Trend in der Herstellung von Bipolarplatten fuumlr Polymerelektrolytmembran-(PEM)-

Brennstoffzellen-Systeme geht aufgrund des stetigen Drucks zur Kostenreduzierung und der im

Vergleich zu Metallen hervorragenden Medienbestaumlndigkeit vermehrt zu polymergebundenen

Graphit-Compounds Hier werden neben duroplastischen Materialien aus oumlkologischen

verarbeitungstechnischen und Kostengesichtspunkten in zunehmendem Maszlige Thermoplaste als

Binder herangezogen Gerade bei diesen bietet sich naumlmlich im Hinblick auf eine kostenguumlnstige

und reproduzierbare Serienfertigung das vielseitige und effiziente Verfahren des Spritzgieszligens an

Allerdings sind auf diesem Sektor vor einem durchgreifenden Erfolg Verfahrens- und Denk-

weisen zweier bisher weitgehend getrennter Ingenieurwelten miteinander in Einklang zu bringen


3

Die typischen Entwickler von Brennstoffzellen-Systemen bringen umfangreiches Anwender-

Know-how auf der Seite der Brennstoffzellentechnik und den damit verbundenen Anforderungen

an Bipolarplatten ein Hingegen existiert bei ihnen nur ein geringer Erfahrungsschatz mit der

relativ neuen Werkstoffklasse hochgefuumlllter Graphit-Compounds und deren Verarbeitung im

Spritzgieszligprozess Hochgefuumlllte Graphit-Compounds mit Feststofffuumlllgraden von mehr als

80 Gew- unterscheiden sich in ihren Verarbeitungseigenschaften stark von handelsuumlblichen

Compounds die mit speziell abgestimmten Hochleistungsruszligen zur Verbesserung zB der anti-

statischen Eigenschaften ausgeruumlstet sind In diesen Anwendungen ist der Feststoffpartikelanteil

selten houmlher als 30 - 50 Gew- weshalb diese Compounds in der Verarbeitbarkeit dem reinen

Kunststoff aumlhneln und sehr leicht mit den gleichen Verfahren verarbeitet werden koumlnnen Bei den

hochleitfaumlhigen Graphit-Compounds mit Feststofffuumlllgraden von 80 Gew- und mehr handelt es

sich verarbeitungstechnisch jedoch kaum mehr um einen Kunststoff mit Feststoffpartikelzusatz

sondern eher um Graphit mit einem Kunststoffzusatz als Binde- und Flieszligmittel

Aufgrund der hohen Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Graphit-Compounds treten bei der Verarbeitung im

Spritzgieszligprozess extrem kurze Einfrier- und Siegelzeiten auf Demzufolge sind die

Fertigungsbedingungen sehr anspruchsvoll und fuumlhren mit Massetemperaturen deutlich oberhalb

der normalen Verarbeitungstemperaturen des Polymeren sowie sehr hohen Verarbeitungs-

geschwindigkeiten zum einen zu einer Vorschaumldigung des Polymeren im Verarbeitungsprozess

zum anderen aber auch zu einer starken Maschinenbelastung Der daraus resultierende Betrieb im

Bereich der Leistungsgrenze der Spritzgieszligmaschine stellt hohe Anforderungen an die Steuerung

und Regelung Insofern ist mit Fertigungsproblemen schon bei kleinsten Abweichungen in der

Rezeptur (zB durch Chargenschwankungen) oder den Verfahrensparametern zu rechnen wie die

Beispiele in Abb 12 zeigen

Abb 12 Fertigungsprobleme beim Spritzgieszligen von Bipolarplatten

Spritzgieszligfehler an einer Bipolarplatte (links) und Schaden an einer Ruumlckstromsperre (rechts)


4

Die extremen Prozessbedingungen das enge Verarbeitungsfenster und die hohen Maschinen-

belastungen sind bisher limitierende Faktoren fuumlr den breiten Einsatz hochgefuumlllter Graphit-

Compounds im Spritzgieszligverfahren

Fuumlr eine rasche und vollstaumlndige Akzeptanz dieser innovativen Werkstoffklasse muumlssen

verschiedene zentrale Fragestellungen geklaumlrt werden Dringender Bedarf besteht beispielsweise

an einer exakten Charakterisierung der Materialien hinsichtlich ihrer rheologischen und

thermischen Eigenschaften zum einen zur Qualitaumltskontrolle und -sicherung im Herstellungs-

und Verarbeitungsprozess zum anderen als Ausgangsbasis fuumlr eine notwendige Anpassung

handelsuumlblicher Spritzgieszligsimulationsprogramme

Eine praumlzise Spritzgieszligsimulation ist eine wesentliche Voraussetzung fuumlr die wirtschaftliche

Auslegung und Optimierung neuer innovativer Formteile aus hochgefuumlllten Graphit-Compounds

Dies setzt jedoch genaue Kenntnisse des speziellen Materialverhaltens ndash zB der Rheologie und

der Waumlrmeleitfaumlhigkeit ndash dieser relativ jungen Werkstoffklasse voraus Auszligerdem muss der

Einfluss der thermisch sehr gut leitenden Fuumlllstoffe auf den Waumlrmeuumlbergang zwischen Formteil

und Spritzgieszligwerkzeug experimentell untersucht und bei der Prozesssimulation beruumlcksichtigt

werden

Neben einer zuverlaumlssigen Spritzgieszligsimulation ist eine Absicherung gegen die auf kleinste

Abweichungen bei der Compoundherstellung zuruumlckzufuumlhrenden Verarbeitungsprobleme eine

wichtige Voraussetzung fuumlr eine Akzeptanz dieser Materialklasse als Werkstoff fuumlr

Bipolarplatten Daraus resultiert die Anforderung zur Neuentwicklung eines Premonitoring-

Systems das direkt an der Spritzgieszligmaschine zur praumlzisen Prozesssteuerung eingesetzt werden

kann

Zur Loumlsung dieser Aufgaben sind sowohl Kompetenz auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik

als Schluumlsselanwendung hochgefuumlllter Graphit-Compounds als auch Fachkenntnis auf dem

Gebiet der Simulation des Spritzgieszligprozesses der Verarbeitung sowie der

verarbeitungsrelevanten Charakterisierung von gefuumlllten Polymerwerkstoffen notwendig Durch

eine interdisziplinaumlre Zusammenarbeit der beiden Forschungsinstitute Zentrum fuumlr

BrennstoffzellenTechnik (ZBT Duisburg) und Deutsches Kunststoff-Institut (DKI

Darmstadt) werden diese Anforderungen in idealer Weise realisiert

2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik

21 Bipolarplatten in PEM-Brennstoffzellen

PEM-Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler die aus Wasserstoff und (Luft-)

Sauerstoff in einer kalten Knallgasreaktion elektrische Energie Waumlrme und Produktwasser

erzeugen Die beiden Reaktionsmedien ndash Wasserstoff als Brenngas und (Luft-)Sauerstoff ndash

werden dabei durch eine protonenleitende Membran (kurz MEA ndash engl Membrane Electrode

Assembly) voneinander getrennt Diese Membran besteht in der Regel aus einer Folie auf Basis

eines perfluorierten sulfonierten Polymers und hat die Funktion des Elektrolyten Zusaumltzlich

dient sie oftmals als Traumlger des anodischen sowie kathodischen Elektrokatalysators [HEI06] Die

Membran wird beiderseits von einem elektrisch leitfaumlhigen feinporigen Gasdiffusionsmedium

(kurz GDL ndash engl Gas Diffusion Layer) eingefasst das fuumlr einen feinstrukturierten elektrischen

Kontakt sowie eine feingliedrige Verteilung der Reaktionsmedien uumlber die Oberflaumlche der MEA

sorgt Die Zufuumlhrung der Reaktionsmedien uumlber die Oberflaumlchen der reaktiven Membran

uumlbernehmen die ebenfalls elektrisch leitfaumlhigen Bipolarplatten die die Membran-GDL-Einheit zu

beiden Seiten einfassen Durch Nutstrukturen an den Oberflaumlchen der Bipolarplatte werden

einerseits die Reaktionsgase verteilt andererseits wird die elektrische Kontaktierung nach auszligen

oder zu einer reaktiven Nachbarzelle ermoumlglicht In Abb 21 ist das Funktionsprinzip einer

Membranbrennstoffzelle dargestellt

Wasserstoff Sauerstoff

e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator

Protonenleitende Membran (MEA)

GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff

Anodenseite Kathodenseite

Abb 21 Funktionsprinzip einer Membranbrennstoffzelle [HEI06]

2 Stand der Technik

6

Auf der Anodenseite wird der katalytisch beschichteten Membran Wasserstoff auf der

Kathodenseite (Luft-)Sauerstoff zugefuumlhrt Der Wasserstoff oxidiert an der Katalysatorschicht zu

Protonen (H+) die durch die protonenleitfaumlhige Membran auf die Kathodenseite wandern Die

freien vom Wasserstoff stammenden Elektronen (e-) flieszligen aufgrund der Potentialdifferenz zur

Nachbarzelle oder uumlber den aumluszligeren Stromkreis zum Kathodenanschluss des Stacks Auf der

Kathodenseite wird der (Luft-)Sauerstoff (O2) durch Aufnahme der Elektronen reduziert und

verbindet sich zusammen mit den Protonen (H+) zu Wasser (H2O) unter Abgabe von thermischer

Energie Die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie wird mit Hilfe der Brennstoffzellen-

reaktion somit direkt in elektrische Energie umgewandelt

Der ideale Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle bei fluumlssigem Produktwasser betraumlgt 833 was

die Brennstoffzelle zu einem hocheffizienten Energiewandler macht [HEI06 KRE10] Die

Arbeitstemperatur einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle liegt bei 50 - 90degC wobei sie

zudem ausgezeichnete Kaltstarteigenschaften aufweist [OSZ06] In Abb 22 sind die System-

komponenten einer vom Zentrum fuumlr BrennstoffzellenTechnik entwickelten Niedertemperatur-

PEM-Brennstoffzelle sowie ein 20-zelliger Brennstoffzellen-Stack dargestellt

Abb 22 PEM-Brennstoffzelle (ZBT)

Systemkomponenten (links) und Brennstoffzellen-Stack (rechts)

Bipolarplatten erfuumlllen in einer PEM-Brennstoffzelle neben der MEA und den beiden

Gasdiffusionsschichten eine Vielzahl entscheidender Aufgaben zur Aufrechterhaltung des

elektrochemischen Prozesses Sie sind die elektrisch und thermisch leitfaumlhigen Kontaktplatten

zwischen den einzelnen aktiven Zellen einer Brennstoffzelle fuumlhren die Eduktgase dem System

zu verteilen diese gleichmaumlszligig uumlber die aktiven Flaumlchen der Membranen und leiten ebenso die

Produktmedien aus dem Zellstapel heraus Waumlhrend des elektrochemischen Prozesses der

Brennstoffzelle muumlssen sie fuumlr einen moumlglichst optimalen und homogenen elektrischen Kontakt

2 Stand der Technik

7

zwischen den einzelnen aktiven Zellen sorgen um die anodenseitig (Brenngasseite)

freiwerdenden Elektronen auf die Kathodenseite (Luft- oder Sauerstoffseite) zu leiten

Daneben wird uumlber die Bipolarplatten die Prozesswaumlrme abgefuumlhrt wozu diese mit

entsprechenden Kuumlhlmedien durchstroumlmt werden oder mit Kuumlhlvorrichtungen versehen sind Zur

Separierung der verschiedenen Medien muumlssen Bipolarplatten diese gasdicht voneinander

trennen wobei sie keine Porositaumlt aufweisen duumlrfen

Die gesamte mechanische Krafteinleitung im Stack zur Erhoumlhung der elektrischen Kontaktierung

wird uumlber die Bipolarplatten uumlbertragen Ebenso stuumltzen sich alle Dichtungskraumlfte an ihnen und

gegen sie ab

Neben all diesen Aufgaben unterliegen Bipolarplatten in einer aktiven Brennstoffzelle sehr

aggressiven chemischen Bedingungen denen sie moumlglichst chemisch inert widerstehen muumlssen

Im Folgenden sind die Anforderungen an Bipolarplatten stichpunktartig zusammengefasst

Anforderungen an die chemische Resistenz

bull Es liegen sehr geringe pH-Werte in einem Bereich von pH 1 - 4 vor [HUA04 PEI03]

bull Die Zellbetriebstemperatur von 50 - 90degC erhoumlht die chemische Reaktivitaumlt im Zellinneren

Bei Hochtemperatur-PEM-Zellen die bei deutlich uumlber 100degC arbeiten verstaumlrkt sich

dieser Einfluss noch

bull Die sehr feuchte Umgebung (demineralisiertes Wasser) ist chemisch sehr aggressiv

bull Es besteht zwischen den Bipolarplatten ein elektrisches Potential welches das Ausloumlsen

von Ionen zusaumltzlich verstaumlrkt

bull Verschiedene Untersuchungen zeigen dass es im Zellbetrieb zu passivierenden Grenz-

schichten im Bereich der Kontaktstellen zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusions-

medium kommen kann die fuumlr eine Steigerung des Kontaktwiderstands verantwortlich sind

[KAI03]

Anforderungen an die elektrische Leitfaumlhigkeit

bull Das Bipolarplattenmaterial sollte uumlber eine gute elektrische Leitfaumlhigkeit verfuumlgen Dabei

ist jedoch zu beachten dass sich der Widerstand einer Bipolarplatte aus verschiedenen

Einzelwiderstandskomponenten und weiteren Widerstandseinfluumlssen zusammensetzt

bull dem rein ohmschen Widerstandsanteil (auch Bulkwiderstand genannt)

2 Stand der Technik

8

bull den Kontaktuumlbergangswiderstaumlnden oder auch Oberflaumlchenwiderstaumlnden Diese sind

abhaumlngig von der Oberflaumlchenqualitaumlt der Platte dem angrenzenden Kontaktmedium

und der applizierten Anpresskraft

bull der Langzeitstabilitaumlt der elektrischen Kontaktierung Passivierte Grenzschichten oder

Korrosion der Plattenoberflaumlche fuumlhren zu einem nachhaltigen Einbruch der

Brennstoffzellen-Performance bei Langzeitmessungen [OH05]

bull Zielwerte fuumlr den Gesamtwiderstand fuumlr Bipolarplatten in PEM-Brennstoffzellen sind

bull ein flaumlchenspezifischer Gesamtwiderstand von weniger als 100 mΩmiddotcmsup2 bei moderaten

Betriebsbedingungen

bull ein flaumlchenspezifischer Gesamtwiderstand von 10 - 30 mΩmiddotcmsup2 bei houmlheren Strom-

dichten (gt 1000 mAcmsup2) [BLU06 HER05]

Anforderungen an die Verarbeitbarkeit

bull Moumlglichst einfache und damit kostenguumlnstige Verarbeitbarkeit

bull Massenproduktionstauglichkeit

bull Spezifische Anforderungen durch die notwendige Geometrie von Bipolarplatten

bull moumlglichst geringe Plattendicke bzw Restwandstaumlrke zwischen den Kanalstrukturen

bull beidseitig fein strukturiert (Nut-Steg-Strukturen im Bereich von etwa 05 x 05 bis

1 x 1 mmsup2 [NGU03 YOO05]

bull diverse Bohrungen oder Loumlchern zur Medienfuumlhrung

bull fuumlr Brennstoffzellen houmlherer Leistung (gt 1 kW) werden aktive Flaumlchenbereiche von

mehreren hundert Quadratzentimetern benoumltigt [RUG03]

bull Das Material sollte recyclebar sein

Anforderungen bezuumlglich der thermischen Leitfaumlhigkeit

bull Moumlglichst hohe thermische Leitfaumlhigkeit des Bipolarplatten-Materials um Prozesswaumlrme

uumlber Kuumlhlmedien homogen und effektiv aus dem Stack abzufuumlhren

bull Moumlglichst niedriger thermischer Uumlbergangswiderstand von der Bipolarplatte in das Kuumlhl-

medium (abhaumlngig von der Oberflaumlchenstruktur und -beschaffenheit)

bull Abgestimmte Form der Bipolarplatte bezuumlglich der Art der Kontaktierung zu benachbarten

Werkstoffen

2 Stand der Technik

9

bull Vermeidung von passivierenden Grenzschichten und Ablagerungen (wirken sich negativ

auf die Kuumlhlleistung einer Brennstoffzelle aus besonders bei hohen Leistungsdichten)

Anforderungen an die Form- und Druckstabilitaumlt unter Betriebsbedingungen und uumlber die

gesamte Betriebszeit

bull Formstabil und druckfest bei mechanischer Beanspruchung durch

bull eine gleichmaumlszligige Flaumlchendruckbelastung uumlber die aktiven Flaumlchen der Zellen

bull Linien- bzw Flaumlchendrucklasten am Rand der Platten aufgrund der Dichtungskraumlfte

bull Anpressdruckbelastungen auf die Nutstrukturen der aktiven Flaumlche

bull Temperaturfest unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle

Anforderungen an die Gasdichtheit

bull Keine Schwachstellen wie zB Haarrisse Lunker oder dergleichen

bull Bipolarplatten muumlssen die Reaktionsgase gasdicht voneinander trennen (Diffusionseigen-

schaften)

bull Gemessene und Grenz-Diffusionsraten von Bipolarplatten (Einschraumlnkung hersteller- bzw

autorenabhaumlngige Vermessungsverfahren)

bull polypropylengebundene Bipolarplatten lt 7middot10-6 cmsup2s [EIS04]

bull Grenz-Gas-Diffusionsrate von maximal 10-4 cmsup3smiddotcmsup2 [MEH03]

Anforderungen an Gewicht und Volumen

bull Moumlglichst gering bei ausreichender Stabilitaumlt

bull In starkem Maszlige vom verwendeten Werkstoff und dessen Verarbeitung abhaumlngig

bull Zielgroumlszlige Verringerung der Plattendicke da aktive Flaumlche vorgegeben

Oumlkonomische und oumlkologische Anforderungen

bull Zur Markteinfuumlhrung ist eine massive Kostenreduktion aller Komponenten insbesondere

jedoch der Bipolarplatte zwingend notwendig Parameter hierfuumlr sind

bull Verfahren fuumlr groszlige Stuumlckzahlen von Bipolarplatten

bull Flexibilitaumlt in der Anpassung der Geometrien auf neue Baugroumlszligen

bull kurze Prozesskette mit wenigen Verarbeitungsschritten

2 Stand der Technik

10

bull niedrige Rohstoffkosten in eurokg oder eurokW

bull geringer Aufwand bei der Qualitaumltssicherung (automatische Uumlberwachung)

bull Zielkosten von 3 $kW fuumlr Bipolarplatten [WAN10]

bull Aus oumlkologischen Gruumlnden sollte die Prozesskette moumlglichst geringe Schadstoffmengen bei

der Herstellung der Rohstoffe waumlhrend der Verarbeitung und bei der Entsorgung freisetzen

dh

bull geringe Partikelemissionen an die Umwelt

bull wenig chemische Sonderabfaumllle

bull keine Teilprozesse mit sehr hohem Energiebedarf

bull Recyclierbarkeit des Plattenmaterials

22 Werkstoffe fuumlr Bipolarplatten

Aufgrund der anspruchsvollen Anforderungen bezuumlglich chemischer Bestaumlndigkeit bei

gleichzeitig hoher elektrischer Leitfaumlhigkeit schraumlnkt sich die Auswahl moumlglicher Werkstoffe fuumlr

Bipolarplatten deutlich ein Zu Beginn der Brennstoffzellen-Entwicklungen wurde Graphit

aufgrund seiner ausgezeichneten chemischen Resistenz und chemischen Inertheit als geeignetes

Material fuumlr Bipolarplatten identifiziert Verwendung fanden vornehmlich gepresste gasdichte

Graphitplatten die ausschlieszliglich spanend bearbeitbar sind Graphit zeigt eine sehr gute

elektrische Leitfaumlhigkeit von etwa 700 Scm [MEP03] und eine ebenso gute thermische

Leitfaumlhigkeit Letztere kann bei Raumtemperatur bis zu 500 W(mmiddotK) betragen abhaumlngig von

Graphittyp und Ausrichtung der Graphenschichten [SLA62 SLA62 WEI11] Graphit waumlre also

auch hinsichtlich seiner elektrischen und thermischen Leitfaumlhigkeit ein hervorragender Werkstoff

fuumlr Bipolarplatten Der Grund dass dieses Material keine nennenswerte Verwendung mehr findet

liegt in seiner aufwaumlndigen Verarbeitung der Porositaumlt der Sproumldigkeit von Graphit-Bauteilen

und den hohen Herstellkosten Die Brennstoffzellen-Performance von Graphit-Bipolarplatten

wird jedoch vielfach als Referenz zur Beurteilung der Qualitaumlt alternativer Materialien

herangezogen

Neben reinem Graphit haben sich in den vergangenen Jahren im Wesentlichen zwei Material-

Hauptgruppen metallische Bipolarplatten und graphitbasierte Compoundplatten fuumlr die

Anwendung in Bipolarplatten etabliert Bei den metallischen Bipolarplatten widerstehen

austenitische und ferritische Edelstaumlhle auch ohne Oberflaumlchenbeschichtung uumlber laumlngere Zeit den

Umgebungsbedingungen einer Brennstoffzelle [HER05] Daneben wurden und werden

Untersuchungen mit verschiedenen Beschichtungen auf unterschiedlichen Substraten

2 Stand der Technik

11

durchgefuumlhrt Diese Beschichtungen sollen der Ausbildung einer passivierenden Grenzschicht

sowie Korrosionen und Ionenausloumlsungen entgegenwirken An dieser Stelle sei auf folgende

Veroumlffentlichungen verwiesen [HER05 KAI03 MEH03 OH05 SHO03]

Bei den hochgefuumlllten Compounds fuumlr die Anwendung als Bipolarplatten-Material liegt der

graphitbasierte Fuumlllstoffanteil uumlber 80 Gew- Dadurch wird im Compound die notwendige

thermische und elektrische Leitfaumlhigkeit erreicht Der geringe Kunststoffanteil fuumlhrt im

Compound gegenuumlber dem reinen Graphit zu deutlich besserer Verarbeitbarkeit sowie zu houmlherer

Biegefestigkeit geringerer Sproumldbruchneigung und verbesserter Gasdichtigkeit des Endprodukts

Bipolarplatte Als Bindermaterialien werden Duroplaste und Thermoplaste verwendet Die

nachfolgende Tabelle stellt einige Vor- und Nachteile verschiedener Materialien fuumlr

Bipolarplatten gegenuumlber

Material Preis Verar-beit-

barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt

Korro-sionsbe-staumlndig-

keit

Biege-festig-

keit

Warm-formbe-staumlndig-

keit

Edelstahl + + + + + + minus minus minus minus minus minus minus + + + +

Titan minus minus minus minus + + minus minus minus minus minus + + + + +

Graphit rein minus minus minus minus + + + + + minus 0 + + minus minus + +

Glas-kohlenstoff

+ minus minus + + + minus minus + + minus minus + +

Duroplast-Compound + + + + + + 0 + + + + + +

Thermoplast-Compound + + + + + + + + 0 + + + + minus

Tab 21 Vor- und Nachteile verschiedener Bipolarplatten-Materialien [NIM06]

Der Vollstaumlndigkeit halber sollten auch die in der bisherigen Betrachtung ebenso wie in Tab 21

nicht beruumlcksichtigten expandierten Graphitfolien als weiteres Bipolarplatten-Material erwaumlhnt

werden [MEP03] Neben Vorteilen wie einem geringen Gesamtwiderstand und der Moumlglichkeit

sehr duumlnne Platten herzustellen zeigt dieses Material jedoch auch einige Nachteile So koumlnnen

Bipolarplatten aus expandierten Graphitfolien im Stack nicht sehr hoch verpresst werden da es

ansonsten zu einem Kollabieren der Kanalstrukturen kommt Auszligerdem sind solche Graphitfolien

nicht gasdicht weswegen entweder eine gasdichte Trennfolie ndash zB aus Metall ndash innerhalb der

Bipolarplatte integriert oder die Folien selbst mit einem Polymer impraumlgniert werden muumlssen

2 Stand der Technik

12

[BAC01] Dies fuumlhrt jedoch wiederum zu einer Reduktion der elektrischen Leitfaumlhigkeit In der

juumlngeren Vergangenheit wurden verschiedene Stacks fuumlr Anwendungen als Fahrzeugantrieb mit

Bipolarplatten aus Graphitfolien aufgebaut [MEP03] Derzeit zielen die meisten Entwicklungen

fuumlr Brennstoffzellen in automobilen Anwendungen jedoch eher auf die Verwendung duumlnner

Metallfolien

Werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Materialien zusammengefasst und abgewogen

so sind die Parameter Preis Gewicht und chemische Bestaumlndigkeit als die wohl wichtigsten

anzusehen Demzufolge zielen die gegenwaumlrtigen Entwicklungen im Bereich der Bipolarplatten-

Materialien und Verarbeitungsprozesse fast ausnahmslos auf die Verwendung von duumlnnen

Edelstahlfolien (mit zusaumltzlicher Beschichtung) sowie Duroplast- oder Thermoplast-Compounds

da diese Materialien das houmlchste Potential fuumlr eine kostenguumlnstige Massenfertigung von

Bipolarplatten haben Aufgrund der inhaumlrenten chemischen Bestaumlndigkeit und der geringen

Neigung zur Bildung passivierender Grenzschichten und Ablagerungen sowie der

Massenfertigungsmoumlglichkeiten mit wenigen Verarbeitungsschritten gibt es einen Trend zum

Einsatz von Graphit-Polymer-Compounds

23 Fertigung von Bipolarplatten aus Graphit-Polymer-Compounds

Bei der Verarbeitung duroplastisch gebundener Graphit-Compounds zu Bipolarplatten hat sich

das Heiszligpressverfahren als Stand der Technik etabliert Mit diesem Verfahren koumlnnen

hochgefuumlllte Compounds zu duumlnnen und groszligflaumlchigen Platten verarbeitet werden die

ausgezeichnete elektrische sowie thermische Eigenschaften aufweisen Dabei lassen sich sowohl

unstrukturierte wie auch strukturierte Compoundplatten herstellen Aufgrund der langen

Aushaumlrtezeiten des duroplastischen Compounds im Presswerkzeug ergeben sich jedoch

Einschraumlnkungen hinsichtlich der Groszligserientauglichkeit Auszligerdem sind die fuumlr Bipolarplatten

notwendigen Gasfuumlhrungsloumlcher derzeit im Heiszligpressverfahren nicht vollstaumlndig darstellbar Sie

muumlssen nachtraumlglich entweder durch einen Stanzprozess oder spanend eingearbeitet werden was

zu houmlheren Fertigungskosten fuumlhrt [KRE10]

Durch die Verwendung eines houmlheren Polymeranteils und eines ausbalancierten Fuumlllstoff-

gemisches koumlnnen Duroplast-Graphit-Compounds auch spritzgieszligtechnisch zu Bipolarplatten

verarbeitet werden [KRE10] Beim Duroplast-Spritzgieszligen wird eine noch nicht fertig vernetzte

duroplastische Masse mit niedriger Temperatur in ein heiszlig temperiertes Werkzeug eingespritzt

wo sie dreidimensional vernetzt und damit aushaumlrtet Duroplast-Artikel werden im heiszligen

Zustand aus dem Spritzgieszligwerkzeug entformt Verfahrensbedingt sind die Zykluszeiten laumlnger

und die Nachbearbeitungskosten houmlher als beim Thermoplast-Spritzgieszligen

2 Stand der Technik

13

Das Thermoplast-Spritzgieszligen ist das am haumlufigsten verwendete Kunststoffverarbeitungs-

verfahren Hier wird eine uumlber Schmelztemperatur erhitzte thermoplastische Formmasse in ein

kaltes Werkzeug eingespritzt wo sie einfriert und anschlieszligend als fertiges Formteil entnommen

werden kann Der klassische Thermoplast-Spritzguss wird als formgebendes Verarbeitungs-

verfahren schon seit vielen Jahrzehnten zur Massenproduktion von Kunststoffartikeln genutzt

Dabei werden auch Polymere eingesetzt die bis zu 60 Gew- an Fuumlll- und Verstaumlrkungsstoffen

beinhalten Gerade bei hochgefuumlllten Graphit-Compounds mit thermoplastischer Bindermatrix

bietet sich daher das Thermoplast-Spritzgieszligen als kostenguumlnstiges und reproduzierbares

Verfahren fuumlr die Serienfertigung von Bipolarplatten an

Aufgrund des hohen Graphitanteils und der Morphologie des Graphits gestaltet sich ein

Spritzgieszligprozess mit Graphit-Compounds in vielen Punkten gaumlnzlich anders als bei

herkoumlmmlichen Kunststoffen Die hohen Viskositaumlten und thermischen Leitfaumlhigkeiten der

Graphit-Compounds erfordern deutlich houmlhere Massedruumlcke und Einspritzleistungen wobei die

erreichbaren Flieszligweglaumlngen begrenzt sind besonders bei dem hohen FlieszligwegWandstaumlrken-

Verhaumlltnis von Bipolarplatten [KRE10] Bei der spritzgieszligtechnischen Verarbeitung von Graphit-

Compounds muss daher dem hohen Fuumlllgrad an Graphit Rechnung getragen und der gesamte

Prozess auf das Ausgangsmaterial abgestimmt und optimiert werden

Fuumlr die wirtschaftliche Auslegung und Optimierung spritzgegossener Formteile aus hochgefuumlllten

Graphit-Compounds ist eine praumlzise Spritzgieszligsimulation unerlaumlsslich Dies setzt jedoch genaue

Kenntnisse des Materialverhaltens sowie eine Anpassung der Spritzgieszligsimulationsprogramme an

diese relativ junge Werkstoffklasse voraus

3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel

Uumlbergeordnetes Ziel des Projektes war es innovativen kmU den Zugang zur wirtschaftlichen

Entwicklung Konstruktion und Herstellung von spritzgegossenen Bipolarplatten aus

hochgefuumlllten thermoplastischen Graphit-Compounds zu ermoumlglichen Dazu sollten im Projekt

die fuumlr den Gesamtprozess Entwicklung rarr Konstruktion rarr Herstellung bedeutsamen Wirk-

zusammenhaumlnge zwischen Fuumlllstoff Matrix und Verarbeitung in Bezug auf die rheologischen und

thermischen Eigenschaften hochgefuumlllter Graphit-Compounds analysiert werden

Werkstoffseitig sollte eine moumlglichst umfangreiche Charakterisierung hochgefuumlllter Graphit-

Compounds erfolgen die auch Untersuchungen zum Einfluss des Fuumlllstoffgehalts und der

Partikelgroumlszlige verschiedenster Graphit- und Leitruszligtypen auf alle fuumlr die Prozesssimulation

relevanten Compoundeigenschaften umfassen Ferner sollte eine prozessnahe rheologische

Charakterisierung hochgefuumlllter Graphit-Compounds durch ein neu zu entwickelndes

Premonitoring-System ermoumlglicht werden Mit dieser Rheologieduumlse sollten direkt an der

Verarbeitungsmaschine prozessrelevante rheologische Kennwerte unter Beruumlcksichtigung des

Einflusses der beim Plastifizieren aufgepraumlgten Scherung ermittelt werden

Das verfahrenstechnische Teilziel kann durch den Oberbegriff aussagekraumlftige Simulation

beschrieben werden Hierfuumlr mussten die fuumlr die Spritzgieszligsimulation benoumltigten

Materialkennwerte hochgefuumlllter Graphit-Compounds an die in den Programmen implementierten

Stoffwertmodelle angepasst werden Weiterhin war der Waumlrmeuumlbergang zwischen Formteil und

Spritzgieszligwerkzeug zu untersuchen da der fuumlr Simulationsrechnungen anzusetzende

Waumlrmeuumlbergangskoeffizient einen groszligen Einfluss auf die Berechnungsergebnisse hat In diesem

Zusammenhang sollte auch ein Programm entwickelt werden mit dessen Hilfe der Waumlrme-

uumlbergangskoeffizient auf der Basis experimentell ermittelter Waumlrmestroumlme berechnet werden

kann

Die Ergebnisse der anschlieszligend durchzufuumlhrenden Simulationsrechnungen mussten anhand von

Spritzgieszligversuchen an verschiedenen Formteilen aus hochgefuumlllten Graphit-Compounds

uumlberpruumlft und verifiziert werden Abschlieszligend sollte mit Hilfe der Spritzgieszligsimulation eine

Optimierung des fuumlr die Bipolarplattenherstellung am ZBT eingesetzten Spritzgieszligwerkzeugs

erfolgen

Ergaumlnzend zu den im Forschungsantrag formulierten Aufgabenstellungen wurde am DKI das

zusaumltzliche Ziel verfolgt eine umfassende Modellentwicklung zur Beschreibung verschiedenster

Compoundeigenschaften auf der Basis der Matrix- und Fuumlllstoffeigenschaften zu realisieren

4 Entwicklung von Polypropylen-Graphit-Compounds

15


41 Materialauswahl


gleichzeitig hoher elektrischer Leitfaumlhigkeit und Verarbeitbarkeit im massenproduktions-

tauglichen Spritzgieszligverfahren schraumlnkt sich die Auswahl moumlglicher Bipolarplatten-Materialien

deutlich ein Zur Erzielung der je nach Anwendung geforderten elektrischen und thermischen

Leitfaumlhigkeit muumlssen groszlige Anteile an elektrisch und thermisch leitenden Fuumlllstoffen in die

ungefuumlllt hoch isolierende polymere Matrix eingearbeitet werden Kohlenstoffbasierte Fuumlllstoffe

wie Graphit und Ruszlig eignen sich hervorragend als Fuumlllstoff um entsprechende Leitfaumlhigkeiten zu

erreichen Da kohlenstoffbasierte Fuumlllstoffe chemisch nahezu inert sind sind sie daruumlber hinaus

praumldestiniert fuumlr den Einsatz in chemisch aggressiven Umgebungen oder im direkten Kontakt mit

aggressiven Medien Der nur geringe Anteil des Kunststoffs ndash als Binder ndash ermoumlglicht zum einen

die Verarbeitung der hochgefuumlllten Graphit-Ruszlig-Polymer-Compounds im Extrusions- und

Spritzgieszligverfahren und bedingt zum anderen eine houmlhere Biegefestigkeit sowie eine geringere

Sproumldbruchneigung und Gasdichtigkeit des Endprodukts Bipolarplatte Als Bindermaterialien fuumlr

diese massenproduktionstauglichen Verarbeitungsverfahren werden Thermoplaste verwendet

Hier wird die Auswahl der moumlglichen thermoplastischen Bindermaterialien durch die geforderten

elektrischen mechanischen und chemischen finalen Eigenschaften der Bipolarplatte einge-

schraumlnkt So scheiden hochviskose Matrixmaterialien aus ebenso solche die von der chemischen

Bestaumlndigkeit den Anspruumlchen im Brennstoffzellen-Stack nicht genuumlgen wie das eigentlich in der

Verarbeitung niedrigviskos flieszligende Polyamid Es wurde daher ein Polypropylen (PP) auf Grund

der chemischen Bestaumlndigkeit der guten Verarbeitbarkeit und des Preisfaktors ausgewaumlhlt

Zur systematischen Weiterentwicklung der hochgefuumlllten Graphit-Compounds wurden neben dem

Bindermaterial PP unterschiedliche Graphite und Leitruszligtypen sowie verschiedene Fuumlllstoff-

gehalte und Fuumlllstoffzusammensetzungen untersucht Dabei wurden die Einflussgroumlszligen

Morphologie Partikelgroumlszlige Oberflaumlche und Preis der verwendeten Graphit- und Ruszligsorten

beruumlcksichtigt und im Hinblick auf gute rheologische und elektrische Eigenschaften optimiert

Alle Compounds wurden im Extrusionsverfahren hergestellt und anschlieszligend charakterisiert

Diese Materialentwicklung wurde in drei Stufen durchgefuumlhrt

1 Neun binaumlre Compoundvarianten (Graphit in PP) mit Fuumlllstoffgehalten von 758085 Gew-

Dabei wurden drei verschiedene Graphitsorten mit ungefaumlhr einheitlicher Partikelgroumlszlige (D50-

Wert) bei jedoch (bedingt durch die Morphologie) unterschiedlichen spezifischen Ober-

flaumlchen (BET) eingesetzt


16

Morphologie D50-Wert

[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

schieferfoumlrmig 191 48 G1

sphaumlrisch 225 66 G2

expandiert 200 270 G3

Tab 41 Uumlbersicht der verwendeten Graphitsorten

sphaumlrischer Graphit

(schematisch)1 Graphit mit hohem Aspekt- verhaumlltnis (schematisch)1

expandierter Graphit (schematisch)1


(REM Graphit Kropfmuumlhl AG) Graphit mit hohem Aspektverh (REM Graphit Kropfmuumlhl AG)

expandierter Graphit (REM ZBT)

1 [DER09]

Abb 41 Verwendete Graphitsorten

2 Nach der Auswahl der am besten geeigneten Graphitsorte aus Schritt 1 wurden neun weitere

binaumlre Compoundvarianten mit drei verschiedenen Partikelgroumlszligen der ausgewaumlhlten Graphit-

sorte hergestellt Auch hier wurden je Partikelgroumlszlige drei unterschiedliche Fuumlllgrade von

758085 Gew- produziert

3 Wiederum nach der Auswahl der am besten geeigneten Graphitpartikelgroumlszlige aus Schritt 2

wurden sechs ternaumlre Compoundvarianten unter Zugabe verschiedener Leitfaumlhigkeitsruszligtypen


17

und Ruszliggehalte von 3 6 bzw 9 hergestellt Es wurden dabei zwei verschiedene Ruszligsorten

eingesetzt die sich in ihrer spezifischen Oberflaumlche unterscheiden

Das nach Durchfuumlhrung dieser Versuchsmatrix ermittelte Material mit optimalem Fuumlllgrad

optimaler Graphitsorte und -partikelgroumlszlige sowie optimalem Leitfaumlhigkeitsruszlig und Ruszliggehalt

wurde anschlieszligend in groumlszligeren Mengen compoundiert und fuumlr die im weiteren Projektverlauf

vorgesehenen Untersuchungen am ZBT sowie am DKI eingesetzt

42 Compoundierprozess

Das Technikum des ZBT verfuumlgt zur Herstellung der hochgefuumlllten Compoundmaterialien uumlber

verschiedene Verarbeitungstechnologien So steht zum einen ein Doppelschneckenextruder (Fa

Thermo PTW25) bei dem die Grenze fuumlr die Compoundierung houmlchstgefuumlllter Materialien bei

einem Durchsatz von 12 kgh (reines PP ca 100 kgh) liegt sowie ein Vielwellenextruder

(Ringextruder RE3 Fa Extricom) mit einem Massendurchsatz an hochgefuumllltem Compound von

60 kgh (reines PP ca 1000 kgh) zur Verfuumlgung Die deutlich geringeren Massendurchsaumltze sind

den hohen Fuumlllstoffanteilen geschuldet Zum einen muumlssen sehr groszlige Volumenanteile an

Fuumlllstoffen in den Extruder zwangseingespeist werden was zu Einzugslimitierungen (in

Abhaumlngigkeit der verwendeten Fuumlllstoffe) fuumlhrt Ein weiterer limitierender Aspekt ist die

Schmelzetemperatur da es sich um einen stark temperaturabhaumlngigen Verarbeitungsprozess

handelt Die Einhaltung eines materialgerechten Temperaturbereichs stellt sich waumlhrend der

Compoundierung als die groumlszligte Anforderung heraus da bereits kleine Aumlnderungen im Prozess zu

deutlichen Temperatursteigerungen und somit zu Materialschaumldigungen fuumlhren Die am ZBT

entwickelte Compoundherstellung arbeitet in einem fuumlr das Material kritischen Temperatur-

bereich nahe der Zersetzungstemperatur Eine Uumlbertragung dieses temperaturbegrenzten

Herstellungsprozesses auf groumlszligere Doppelschneckenextruder (groumlszligere Schneckendurchmesser) ist

daher ein nicht triviales Unterfangen Um dennoch eine Compoundherstellung im industrienahen

Massenproduktionsmaszligstab demonstrieren zu koumlnnen steht dem ZBT ein Vielwellenextruder zur

Verfuumlgung Die Ringextrudertechnologie ist eine konsequente Weiterentwicklung des

gleichlaumlufigen Doppelschneckenextruders bei dem zwoumllf kreisfoumlrmig angeordnete Schnecken-

wellen die dicht ineinander greifen und gleichsinnig um die jeweils eigene Achse drehen um

einen ortsfesten Kern angeordnet sind Die folgenden Abbildungen zeigen schematisch die

Anordnung der zwoumllf Schnecken und die Duumlsenplatte mit austretendem Compoundmaterial


18

Abb 42 Anordnung der Schnecken des Ringextruders

Abb 43 Produktion von hochgefuumllltem Compound am Ringextruder

Die Erfassung von Prozessparametern wie zB Drehzahl Drehmoment oder Schmelzetemperatur

und anliegender Schmelzedruck ist bei der Compoundierung an Doppelschnecken- sowie

Ringextruder moumlglich Die entsprechenden Groumlszligen werden uumlber ein Prozessleitsystem erfasst

ausgelesen und archiviert Die Auswertung dieser Daten liefert Aussagen sowohl zum Material

als auch zum Prozessverhalten bei der Herstellung hochgefuumlllter Compoundmaterialien Beispiele

hierfuumlr sind der spezifische mechanische Energieeintrag und erste Aussagen zur Rheologie der

Schmelze


19

43 Charakterisierung der Materialeigenschaften

431 Bestimmung der Dichten und Fuumlllstoffgehalte

Zur Bestimmung der Dichte von hochgefuumlllten Compoundmaterialien wird am ZBT ein

Ultrapycnometer (Fa Quantachrome) eingesetzt welches die wahre Dichte von Pulvern oder

kompakten Festkoumlrpern vollautomatisch ermitteln kann Dies kann zur Unterscheidung und

Qualitaumltsbeurteilung von Compoundmaterialien genutzt werden Das Messverfahren basiert auf

der Norm DIN 66137 in der unter Punkt 2 die Gaspyknometrie beschrieben wird Grundlage des

Verfahrens ist der Zusammenhang der Dichte eines Stoffes als Quotient aus Masse und Volumen

Die Dichte des Feststoffes wird allein auf sein wahres Volumen bezogen daher muumlssen offene

Poren oder Lunker im Material ausgeschlossen werden Zur Bestimmung dieses wahren

Feststoffvolumens dient Helium da es aus sehr kleinen Atomen besteht und somit auch in

kleinste Poren des Materials diffundiert und eine Bestimmung des wahren Volumens ermoumlglicht

Zunaumlchst wird das Probengewicht ermittelt dann die Probe in die kalibrierte Messkammer

gegeben und das Volumen durch Druckmessung (Ideales Gasgesetz) bestimmt Dazu werden die

vorab getrockneten Proben in der Probenkammer mit Helium umspuumllt (stetiger Gasstrom oder

pulsartige Spuumllzyklus) Die Spuumlldauer kann je nach Material (Bestandteile Restfeuchte

Feinteiligkeit und Feinporigkeit) variiert werden Die Temperierung der Messkammer erhoumlht die

Praumlzision der Messergebnisse und liefert immer gleiche Messbedingungen Aus der Probenmasse

und dem bestimmten wahren Volumen wird dann die Dichte berechnet

Am Deutschen Kunststoff-Institut wird eine hydrostatische Waage zur Dichtebestimmung

eingesetzt Mit Hilfe des Auftriebsverfahren nach DIN EN ISO 1183-1 (Verfahren A) kann die

tatsaumlchliche Dichte einer Kunststoffprobe (inklusive Lunker) ermittelt werden Der

Fuumlllstoffgehalt von Compoundmaterialien wird mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA)

bestimmt Bei der TGA wird eine genau eingewogene Materialprobe erhitzt und das

Probengewicht als Funktion der Temperatur gemessen Die Aumlnderung der Probenmasse laumlsst

Ruumlckschluumlsse auf Art und Anteil der polymeren Probenbestandteile und deren Massenanteile zu

432 Ermittlung der rheologischen Eigenschaften

Fuumlr die Untersuchung der scherabhaumlngigen Viskositaumlt steht am DKI ein Hochdruck-

Kapillarrheometer Rosand RH7 der Firma Malvern Instruments Ltd zur Verfuumlgung Das

Rheometer arbeitet mit zwei Kolben und traumlgt die Schmelze einerseits durch die Messduumlse deren

Geometrie durch ihr LaumlngeDurchmesser-Verhaumlltnis (LD) gekennzeichnet ist und andererseits


20

durch die sogenannte Nullduumlse aus Die Nullduumlse weist zwar den gleichen Durchmesser D wie die

Messduumlse auf sie besitzt jedoch keinen Flieszligkanal der Laumlnge L und stellt nur eine Blende dar

(Abb 44) Die Stempelkraftaufbringung geschieht durch eine Spindel und wird auf beide Kolben

verteilt Beim Uumlbergang der Polymerschmelze in die Kapillare und beim Austritt treten Ein- und

Auslaufeffekte auf Beim Eintritt wird die Schmelze eingeschnuumlrt beim Austritt aus der Kapillare

relaxiert sie Dadurch entstehen Impulsverluste die in einen gemessenen Druckverlust ∆pgem mit

eingehen Durch die besondere Anordnung der Duumlsen im Doppel-Kapillarrheometer ist es

moumlglich die Einlaufdruckverluste ∆pE und somit auch die wahren Druckverluste ∆p auf einfache

Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben

PolymerprobeTemperatur T

Abb 44 Doppel-Kapillarrheometer (Messprinzip)

Zur Ermittlung der Viskositaumlt η muss die Schubspannung τ und die Scherrate γ an einem Ort

bekannt sein Beim Kapillarrheometer wird die Wand als Ort mit der maximalen Schubspannung

(Wandschubspannung τW) und maximalen Scherrate (Wandscherrate γW) gewaumlhlt so das fuumlr die

Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21

Die Wandschubspannung ergibt sich aus der Duumlsengeometrie und der korrigierten Druckdifferenz

∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)

Die Scherrate kann bei einer Newtonschen Fluumlssigkeit aus dem vorgegebenen Volumenstrom V

berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)

Danach muss eine Korrektur erfolgen die das Nicht-Newtonsche Flieszligverhalten von

Polymerschmelzen beruumlcksichtigt und als WEIszligENBERG-RABINOWITSCH-Korrektur bezeichnet

wird Dazu werden die Werte von Druckverlust (Wandschubspannung Gleichung (42)) und

Volumenstrom (Wandscherrate Gleichung (43)) in doppelt-logarithmischer Darstellung aufge-

tragen und der sich ergebende Anstieg durch punktweises Differenzieren berechnet (Abb 45)

Abb 45 Ermittlung der korrigierten Scherraten an Kapillaren nach RABINOWITSCH

Die korrigierte Scherrate γkorr fuumlr Kapillaren ergibt sich dann nach folgender Gleichung

( )Sγγ Wkorr += 34

1ampamp (44)


22

433 Bestimmung der Waumlrmeleitfaumlhigkeit

Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von hochgefuumlllten Polymerproben wird am Deutschen Kunststoff-Institut

mit Hilfe einer Flash-Apparatur bestimmt (LFA 447 NanoFlash NETZSCH-Geraumltebau GmbH)

Das Messprinzip der Apparatur ist in Abb 46 schematisch dargestellt Beim Flash-Verfahren

wird die Vorderseite einer scheibenfoumlrmigen Probe mit einem kurzen Lichtimpuls bestrahlt Der

Waumlrmeimpuls wandert durch die Probe und erwaumlrmt die Probenruumlckseite wo der zeitliche

Verlauf des Temperaturanstiegs mittels eines Infrarot-Detektors erfasst wird Eine mathematische

Analyse der gemessenen Temperatur-Zeit-Funktion ermoumlglicht die Berechnung der Temperatur-

leitfaumlhigkeit Dieses erfolgt in der Analysesoftware die fuumlr den jeweiligen Anwendungsfall

verschiedene mathematische Modelle zur Verfuumlgung stellt

IR-Detektor

Materialprobe(beheizbar bis 300degC)

Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter

Abb 46 Flash-Apparatur (Messprinzip)

Aus der Temperaturleitfaumlhigkeit a der spezifischen Waumlrmekapazitaumlt cp und der Dichte ρ der

Probe laumlsst sich die Waumlrmeleitfaumlhigkeit λ einfach berechnen

acρλ p sdotsdot= (45)

434 Ermittlung der elektrischen Eigenschaften

Die Ermittlung der elektrischen Leitfaumlhigkeit von hochgefuumlllten Compoundmaterialien erfolgt am

ZBT an spritzgegossenen Probekoumlrpern Diese werden mit einer Kolbenspritzgieszligmaschine

(Haake MiniJet II) hergestellt An der Maschine lassen sich unter einem maximalen


23

Einspritzdruck von 1200 bar kreisfoumlrmige unstrukturierte Probekoumlrper (Durchmesser = 30 mm

Dicke = 2 mm) schnell und reproduzierbar herstellen Es koumlnnen Schmelzetemperaturen von bis

zu 400degC sowie eine Temperierung der Kavitaumlt von 250degC realisiert werden Um die

Reproduzierbarkeit bei der Pruumlfkoumlrperherstellung zu gewaumlhrleisten ist die Maschine mit einer

numerischen Steuerung ausgestattet Alle Prozessparameter wie Temperatur (getrennt fuumlr

Einspritzzylinder und Werkzeug) Houmlhe und Dauer von Einspritz- und Nachdruck werden von der

Steuerung uumlberwacht Die folgende Abbildung zeigt die Minispritzgieszligmaschine das geoumlffnete

Werkzeug und einen spritzgegossenen Probekoumlrper mit Anguss

Abb 47 Kolbenspritzgieszligmaschine (rechts geoumlffnetes Werkzeug mit Formteil)

Die Probenkoumlrper werden anschlieszligend in einer Vierpol-Messapparatur vermessen und die

materialspezifischen Widerstaumlnde ermittelt Durch das verwendete Vierpol-Messverfahren

ergeben sich neben dem spezifischen Durchgangswiderstand RD und dem Gesamtwiderstand der

Probe Rges (mit den Gasdiffusionsmedien) auch der Bulk- (Innenwiderstand) RΩ sowie der

Kontaktuumlbergangswiderstand (Oberflaumlchenwiderstand) RK der Proben Die folgende Abbildung

zeigt die Widerstandsmessapparatur mit eingelegtem Probekoumlrper und den schematischen Aufbau

der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe

goldbeschichteter Edelstahl-Messpol

federnde Gold-Messspitze

Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

Abb 48 Messapparatur mit eingelegtem Probekoumlrper (rechts schematischer Messaufbau)

435 Ermittlung der mechanischen Materialkennwerte

Die Herstellung der Probekoumlrper zur Ermittlung der mechanischen Materialkennwerte

(L x B x H 38 x 25 x 2 mm) wurde entsprechend den elektrischen Probekoumlrpern durchgefuumlhrt

Aus Gruumlnden der Vergleichbarkeit wurden alle Proben bei gleichen Verarbeitungsparametern

verspritzt Je Compoundmaterial wurden 10 Probekoumlrper spritzgegossen und mit Hilfe eines

3-Punkt-Biegeversuchs (in Anlehnung an die DIN EN ISO 1782008-07) die Biegefestigkeit

(maximale Biegespannung) die maximale Biegedehnung und der Biegemodul ermittelt Der

Probekoumlrper wird dazu auf zwei Auflagern platziert und durch die Druckfinne ndash mit einer

konstanten Pruumlfgeschwindigkeit von 1 mms ndash durchgebogen bis der Bruch eintritt Waumlhrend der

Pruumlfung werden die aufgebrachte Kraft und Durchbiegung gemessen Die folgende Abbildung

zeigt die Apparatur mit eingelegtem Probekoumlrper und beispielhafte Messkurven Es wird deutlich

dass sich die hochgefuumlllten Compoundmaterialien sproumlde verhalten und vor dem Flieszligen brechen

Die Randfaserdehnung wird nicht erreicht


25

Abb 49 Apparatur fuumlr 3-Punkt-Biegeversuch (rechts Spannungs-Dehnungs-Kurven)

44 Binaumlre Compoundvarianten mit verschiedenen Graphittypen

Im Folgenden werden die ausgewerteten Compoundierparameter und die am Compound sowie an

spritzgegossenen Proben ermittelten Kennwerte der ersten Stufe der Materialoptimierung

vergleichend gegenuumlbergestellt Es wurden insgesamt neun binaumlre Compounds am Ringextruder

mit Fuumlllstoffgehalten von 758085 Gew- hergestellt und drei unterschiedliche Graphitsorten

eingesetzt Waumlhrend der Compoundierung wurden die Drehzahl das Drehmoment der

Massedruck die Massetemperatur und der Durchsatz aufgezeichnet sowie der spezifische

Energieeintrag berechnet Es wurden die Compoundierparameter fuumlr jedes Compound

dementsprechend angepasst dass bei moumlglichst hohem Durchsatz die Massetemperatur in einem

nicht kritischen Verarbeitungsbereich bleibt Das folgende Diagramm zeigt beispielhaft die

Compoundierparameter der Compounds mit schieferfoumlrmigem Graphit beginnend mit dem

niedrigsten Fuumlllgrad


26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]

Drehzahl Drehmoment Massedruck Massetemp Durchsatz spez Energieeintrag

75 Gew 80 Gew 85 Gew

Abb 410 Compoundierparameter der Compounds mit schieferfoumlrmigem Graphit (3 Fuumlllgrade)

Es wird deutlich dass mit steigendem Fuumlllstoffanteil durch die somit vermehrt eingebrachte

Scherenergie zwischen den Fuumlllstoffpartikeln untereinander aber auch beim Kontakt zu den

Schnecken oder dem Gehaumluse die Schmelzetemperatur deutlich ansteigt Es wurde daher beim

Fuumlllgrad von 85 Gew- die Drehzahl reduziert um einen weiteren Anstieg der Massetemperatur

zu verhindern Es konnte ein Durchsatz von 20 kgh in einem stabilen Produktionsprozess erreicht

werden

Graphitsorte Morphologie Durchsatz

[kgh]

G1 schieferfoumlrmig 20

G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10

Tab 42 Durchsaumltze am Ringextruder (stabiler Produktionsprozess)


27

441 Dichten und Fuumlllstoffgehalte

Die Fuumlllstoffzugabe erfolgt am Ringextruder uumlber Gravimetrien welche die Fuumlllstoffe in einen

Sidefeeder uumlberfuumlhren der diese zwangsweise in die Schmelze im Extruder foumlrdert Das

Gravimetrieverhalten wurde uumlber den gesamten Herstellungsprozess aufgezeichnet und wurde zur

Kontrolle der Fuumlllstoffgehalte herangezogen Aus diesem Grund wurden ebenfalls die

Compound-Dichten am Gaspyknometer vermessen und gegenuumlbergestellt Es lassen sich

deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Fuumlllstoffanteilen in den Compounds

feststellen Es konnten nur geringe ndash nicht signifikante Unterschiede ndash zwischen den einzelnen

Graphit-Morphologien in den Dichten der Compounds festgestellt werden

18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]

G185 G285 G385 G180 G280 G380 G175 G275 G375 Abb 411 Dichten der binaumlren Compounds

442 Rheologische Eigenschaften

In den nachfolgenden Abbildungen sind die am Kapillarrheometer des DKI gemessenen

Viskositaumltskurven der binaumlren Compounds dargestellt (Abb 412 bis Abb 414) Um den Einfluss

des Graphittyps zu veranschaulichen wurden die Flieszligkurven von Materialien mit gleichem

Graphitgehalt jeweils in einem Diagramm zusammengefasst Es zeigt sich ein eindeutiger

Zusammenhang zwischen Graphittyp bzw spezifischer Oberflaumlche und den rheologischen

Eigenschaften Die mit expandiertem Graphit gefuumlllten Compounds (G3x) weisen deutlich

houmlhere Viskositaumlten auf als diejenigen mit sphaumlrischem oder schieferfoumlrmigem Graphit


28

Erwartungsgemaumlszlig nehmen die Viskositaumlten mit dem Graphitgehalt zu Die teils geringen

Unterschiede werden jedoch von Messunsicherheiten uumlberlagert Insbesondere bei den

Compoundvarianten G180 und G185 wurden Druckschwankungen waumlhrend der Messungen

am Kapillarrheometer beobachtet die auf Materialinhomogenitaumlten hindeuten koumlnnten

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC

Abb 412 Viskositaumlten der binaumlren Compounds (Fuumlllgrad 75 Gew-)

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC


443 Thermische Eigenschaften

Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit der binaumlren Compounds wurde am Deutschen Kunststoff-Institut mit der

Flash-Methode ermittelt Hierfuumlr wurden spritzgegossene scheibenfoumlrmige Probekoumlrper vom

ZBT zur Verfuumlgung gestellt (siehe Kapitel 434) Die Flash-Apparatur des DKI bietet die

Moumlglichkeit richtungsabhaumlngige Materialeigenschaften zu bestimmen Mit Hilfe geeigneter

Probenhalterungen und Blenden kann die thermische Leitfaumlhigkeit einer Materialprobe einerseits

in der Plattenebene (in-plane) und andererseits orthogonal zur Plattenebene (through-plane)

ermittelt werden (Abb 415)

ldquothrough-planeldquo-Probe

LFA447 NanoFlash

ldquoin-planeldquo-Probe

Abb 415 Probengeometrie und Messrichtung (Flash-Apparatur)


30

Zunaumlchst wurde die richtungsabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeit der verwendeten Graphitsorten

untersucht Hierfuumlr stellte die Graphit Kropfmuumlhl AG gepresste Platten aus schieferfoumlrmigem

sphaumlrischem und expandiertem Graphit zur Verfuumlgung (siehe Abb 41) Die Ergebnisse dieser

Untersuchungen die in Abb 416 zusammengefasst sind zeigen eine starke Abhaumlngigkeit der

Waumlrmeleitfaumlhigkeit von der Messrichtung Die in der Plattenebene (in-plane) ermittelten Waumlrme-

leitfaumlhigkeiten der Graphite liegen um ein Vielfaches uumlber den orthogonal zur Plattenebene

(through-plane) ermittelten Werten

Aus der hexagonalen Kristallstruktur des Graphits und der extremen Richtungsabhaumlngigkeit der

Bindungskraumlfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen elektrischen und

thermischen Eigenschaften Die Waumlrmeleitung erfolgt im Graphit hauptsaumlchlich durch Gitter-

wellenleitung entlang der Graphenebenen was sich auch in den Werten fuumlr die Waumlrmeleitfaumlhig-

keit widerspiegelt Senkrecht zu den Graphenschichten leitet Graphit wesentlich schlechter

[IGF09] Es ist daher davon auszugehen dass beim Pressen der Graphitplatten die Graphenlagen

vorzugsweise in der Plattenebene ausgerichtet wurden Der houmlchste Anisotropiegrad liegt in den

Proben aus expandiertem Graphit (G3_M) vor gefolgt vom schieferfoumlrmigen Graphit (G1_M)

Die geringste Richtungsabhaumlngigkeit weist der sphaumlrische Graphit (G2_M) auf

244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC

Abb 416 Richtungsabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeiten verschiedener Graphittypen

Beim Spritzgieszligen von Polymeren mit stab- oder plaumlttchenfoumlrmigen Fuumlll- und Verstaumlrkungs-

stoffen kommt es zu einer stroumlmungsinduzierten Ausrichtung der Partikel Diese Effekte treten

auch bei der Verarbeitung hochgefuumlllter Graphit-Compounds auf wie die rasterelektronenmikros-

kopische Aufnahme in Abb 417 zeigt In den wandnahen Scherzonen werden die Graphitpartikel


31

in Flieszligrichtung orientiert In der ausgepraumlgten Kernzone sind die Partikel infolge der Quell-

stroumlmung vorzugsweise senkrecht zur Flieszligrichtung ausgerichtet

Bei der Interpretation der nachfolgenden Ergebnisse muumlssen die zuvor aufgefuumlhrten Erlaumlute-

rungen bezuumlglich innerer Struktur der Formteile Probenpraumlparation Messrichtung und

Anisotropie der Fuumlllstoffpartikel beachtet werden

Abb 417 Bruchflaumlche einer spritzgegossenen Platte

Polypropylen-Graphit-Compound mit 80 Gew- Fuumlllgrad (REM-Aufnahme)

In Abb 418 sind die orthogonal zur Plattenebene (through-plane) ermittelten Waumlrmeleitfaumlhig-

keiten der binaumlren Compounds zusammengefasst Die Ergebnisse wurden an unbearbeiteten

spritzgegossenen Proben erzielt deren Schichtenstruktur vollstaumlndig erhalten blieb Diese Pruumlfan-

ordnung ist fuumlr eine prozessnahe Ermittlung von Kennwerten von besonderer Bedeutung da beim

Spritzgieszligen die Waumlrmeleitung zur Werkzeugwand hin dominiert Abb 419 und Abb 420

zeigen thermische Leitfaumlhigkeitswerte die an spanend bearbeiteten Proben in der Plattenebene

(in-plane) und senkrecht dazu ermittelt wurden Bei der spanenden Bearbeitung der 2 mm dicken

Proben wurden jeweils 05 mm der Probenober- und -unterseite abgetragen

Die Waumlrmeleitfaumlhigkeitswerte der binaumlren Compounds weisen mitunter sehr groszlige Streuungen

auf Dennoch ist der Einfluss des Graphitgehalts gut erkennbar Er aumluszligert sich bei steigendem

Fuumlllstoffanteil weitestgehend in einer Zunahme der Waumlrmeleitfaumlhigkeit in beiden Messrich-

tungen Orthogonal zur Plattenebene werden an bearbeiteten Probekoumlrpern (Abb 419) signifikant

houmlhere Waumlrmeleitfaumlhigkeiten ermittelt als an unbearbeiteten (Abb 418) Ursaumlchlich hierfuumlr ist

die Aumlnderung der Schichtenstruktur Bei der Bearbeitung der Proben werden die in der

Plattenebene orientierten Randschichten weitestgehend entfernt Die verbleibende Kernzone

beguumlnstigt aufgrund der hier vorherrschenden Orientierung der Graphitpartikel den

Waumlrmetransport orthogonal zur Plattenebene Analog hierzu verhalten sich die in der


32

Plattenebene (Abb 420) ermittelten Waumlrmeleitfaumlhigkeiten die gegenuumlber den Kennwerten aus

Abb 419 ebenfalls deutlich abfallen Auszligerdem zeigen sich Einfluumlsse des Graphittyps Bei den

orthogonal zur Plattenebene an unbearbeiteten Proben ermittelten Werten ist mit zunehmender

spezifischer Oberflaumlche des Graphits (siehe Tab 41) eine klare Tendenz hin zu steigenden

Waumlrmeleitfaumlhigkeiten zu erkennen (Abb 418) Abweichend von diesem Trend verhaumllt sich nur

die Materialprobe G180

825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Abb 418 Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der binaumlren Compounds

Messrichtung through-plane (Probenoberflaumlchen unbearbeitet)

151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC


Messrichtung through-plane (Probenoberflaumlchen bearbeitet)


33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar


Messrichtung in-plane (Probenoberflaumlchen bearbeitet)

444 Elektrische Eigenschaften

Die an spritzgegossenen Proben ermittelten Materialwiderstaumlnde wurden zunaumlchst an den

unbehandelten Probekoumlrpern vermessen und sind in folgender Abbildung gegenuumlbergestellt Wie

zu erwarten war bedingt eine Fuumlllgradsteigerung ndash unabhaumlngig von der Morphologie ndash eine

deutliche Reduktion des Materialwiderstands Es konnten jedoch auch zwischen den

Graphitsorten groszlige Unterschiede in der Leitfaumlhigkeit bei gleichen Fuumlllgradanteilen festgestellt

werden So weiszligt der expandierte Graphit schon bei niedrigstem Fuumlllgrad von 75 Gew-

aumlhnliche Materialwiderstaumlnde wie der schieferfoumlrmige bzw sphaumlrische Graphit erst bei houmlheren

Fuumlllgraden von 85 Gew- auf Wird der Anteil des expandierten Graphits im Compound erhoumlht

sinken die Materialwiderstaumlnde noch weiter


34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]

Abb 421 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der binaumlren Compounds (unbehandelt)

In einem nachgelagerten Schritt wurden in einem Nassschleif-Verfahren beidseitig 01 mm der

Probekoumlrperoberflaumlche abgetragen und anschlieszligend die Materialwiderstaumlnde an diesen

geschliffenen Proben ermittelt Die Entfernung der durch den Spritzgieszligprozess entstehenden

polymeren Randschicht an der Probenoberflaumlche bedingt eine deutliche Reduktion des

Materialwiderstands wie nachfolgende Abbildung verdeutlicht Die Rangfolge der

Widerstandswerte der Materialien bleibt gleich sodass auch hier der expandierte Graphit

niedrigere Widerstaumlnde als der sphaumlrische oder schieferfoumlrmige Graphit im Compound aufweist

97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]

Abb 422 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der binaumlren Compounds (geschliffen)


35

445 Mechanische Eigenschaften

Die im 3-Punkt-Biegeversuch ermittelten mechanischen Materialkennwerte (Biegemodul

maximale Dehnung und Biegefestigkeit) werden in der folgenden Abbildung gegenuumlbergestellt

14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]

Biegemodul Biegefestiegkeit Dehnung (max)

Abb 423 Mechanische Materialkennwerte der binaumlren Compounds

Alle drei Graphitsorten zeigen ein aumlhnliches Verhalten bei Steigerung der Fuumlllstoffanteile im

Compound Die maximale Dehnung nimmt generell mit steigendem Fuumlllgrad ab und auch die

Biegefestigkeiten sinken Eine Ausnahme bildet hier der sphaumlrische Graphit bei dem die

Biegefestigkeit im Rahmen der Messabweichung ungefaumlhr gleich bleibt Bei den bestimmten

Biegemodulen an den Probekoumlrpern zeigt sich keine eindeutige generelle Tendenz

446 Bewertung der Materialentwicklung Stufe 1

Nach Auswertung aller Verarbeitungsparameter und Materialkennwerte an den neun hergestellten

binaumlren Graphit-Compounds kann die folgende Bewertungsmatrix aufgestellt werden Es werden

dabei nicht die einzelnen Fuumlllgrade betrachtet sondern die Werte der verschiedenen Fuumlllgrade

einer Graphitsorte zusammengefasst bewertet Hierbei bedeutet xxx rarr x besser rarr schlechter

Die fuumlr den spaumlteren Anwendungsfall als Compoundmaterial fuumlr Bipolarplatten in

Brennstoffzellen wichtigsten Werte sind hierbei eine hohe elektrische Leitfaumlhigkeit bei

gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit (geringe Viskositaumlt) Nach Abwaumlgung aller Material- und

Prozesseigenschaften wurde daher fuumlr den weiteren Materialoptimierungsprozess die

schieferfoumlrmige Graphitsorte ausgewaumlhlt


36

Auswahlkriterien schieferfoumlrmig sphaumlrisch expandiert

spezifischer Energieeintrag Extruder xx xxx x

Rheologie xxx xx x

Materialdichte x x x

Probekoumlrper spritzgieszligen xx xx x

elektrische Leitwerte xx x xxx

Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Spritzgieszligen) xx xx x

Waumlrmeleitfaumlhigkeit (BZ-Stack) x x xx

mechanische Kennwerte xx xxx x

Preis xx xx x

Summe 17 17 12

Tab 43 Bewertungsmatrix Materialentwicklung Stufe 1

45 Binaumlre Compoundvarianten mit verschiedenen Graphitpartikel-groumlszligen

Im Folgenden werden die ausgewerteten Compoundierparameter und die am Compound und an

spritzgegossenen Proben ermittelten Materialkennwerte der zweiten Stufe der

Materialoptimierung vergleichend gegenuumlbergestellt Da zeitgleich mit dem Start des Forschungs-

vorhabens auch die Inbetriebnahme eines Ringextruders (Extricom RE3) am ZBT stattfand

wurden die ersten Materialien wie oben beschrieben erfolgreich auf einem Ringextruder

hergestellt Zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Materialqualitaumlt im Verlaufe des Projekts

wurde fuumlr die weiteren Compoundierversuche auf die etablierte Doppelschneckentechnologie

gewechselt Es wurden auch hier insgesamt neun binaumlre Compounds mit Fuumlllstoffgehalten von

758085 Gew- hergestellt und drei unterschiedliche Graphitpartikelgroumlszligen der schiefer-

foumlrmigen Graphitsorte eingesetzt


37

Partikelgroumlszlige D50-Wert

[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G

Tab 44 Uumlbersicht der verwendeten Graphitpartikelgroumlszligen

Waumlhrend der Compoundierung am Doppelschneckenextruder bei konstanter Drehzahl von

250 min-1 wurden das Drehmoment der Massedruck die Massetemperatur und der Durchsatz

aufgezeichnet sowie der spezifische Energieeintrag berechnet Es wurden die

Compoundierparameter fuumlr jedes Compound dementsprechend angepasst dass bei moumlglichst

hohem Durchsatz die Massetemperatur in einem nicht kritischen Verarbeitungsbereich bleibt Das

folgende Diagramm zeigt beispielhaft die Compoundierparameter der Compounds mit schiefer-

foumlrmigem Graphit beginnend mit dem niedrigsten Fuumlllgrad

00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-

m=25kgh m=3kgh m=3kgh



38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2

Tab 45 Durchsaumltze am Doppelschneckenextruder (stabiler Produktionsprozess)


Die Fuumlllstoffzugabe erfolgt auch am Doppelschneckenextruder uumlber Gravimetrien welche die

Fuumlllstoffe in einen Sidefeeder uumlberfuumlhren der diese zwangsweise in die Schmelze im Extruder

foumlrdert Das Gravimetrieverhalten wurde uumlber den gesamten Herstellungsprozess aufgezeichnet

und zur Kontrolle der Fuumlllstoffgehalte herangezogen

Die folgende Abbildung zeigt Ergebnisse der am DKI durchgefuumlhrten Dichtebestimmung Dabei

ergeben sich die aus den unterschiedlichen Graphitgehalten zu erwartenden Compounddichten

Die Korngroumlszligenverteilung des Graphits zeigt keinen signifikanten Einfluss

162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC

Abb 425 Dichten der binaumlren Compounds mit unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen


39


In Abb 426 bis Abb 428 sind Ergebnisse der Viskositaumltsmessungen an den Compounds der

Materialentwicklungsstufe 2 dargestellt Die unterschiedlichen Partikelgroumlszligen (K M G) des

schieferfoumlrmigen Graphits wirken sich erst bei sehr hohen Fuumlllstoffgehalten von 85 Gew-

signifikant auf die Flieszligeigenschaften aus (Abb 428) Eine Abnahme der Fuumlllstoffpartikelgroumlszlige

bzw ein Anstieg der inneren Oberflaumlche fuumlhrt zur Erhoumlhung der Viskositaumlt In der Zusammen-

schau ist der Einfluss des Graphitgehaltes ebenfalls deutlich erkennbar Die Druckschwankungen

waumlhrend der Messungen waren erheblich geringer als in Materialentwicklungsstufe 1

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC

Abb 426 Viskositaumlten der binaumlren Compounds

mit unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen (Fuumlllgrad 75 Gew-)

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC




In den nachfolgenden Abbildungen sind die Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der binaumlren Compounds mit

unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen zusammengestellt Bei der Bewertung der Ergebnisse ist

hervorzuheben dass die Streuung der Messwerte wesentlich geringer als in der vorangegangenen

Materialentwicklungsstufe ausfaumlllt

44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Abb 429 Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der binaumlren Compounds mit differenten Graphitpartikelgroumlszligen



41

Hinsichtlich des Einflusses von Probenpraumlparation Messrichtung und Graphitgehalt auf die

orientierungsabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeit werden die in Kapitel 443 beschriebenen

Zusammenhaumlnge eindruumlcklich bestaumltigt Anhand der orthogonal zur Plattenebene an unbearbei-

teten Proben ermittelten Kennwerte wird der Einfluss der Graphitpartikelgroumlszlige deutlich Eine

Abnahme der Korngroumlszlige fuumlhrt zum Anstieg der Waumlrmeleitfaumlhigkeit aufgrund der anwachsenden

inneren Oberflaumlche des thermisch gut leitenden Fuumlllstoffs (Abb 429)

117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42




zu erwarten war bedingt eine Fuumlllgradsteigerung ndash unabhaumlngig von der Partikelgroumlszlige ndash eine

deutliche Reduktion des Materialwiderstands Es wird jedoch auch der Einfluss der Partikelgroumlszlige

auf die Leitfaumlhigkeit bei gleichen Fuumlllgradanteilen deutlich So weisen kleinere Graphitpartikel im

Compound niedrigere Durchgangswiderstaumlnde als groumlszligere Partikel auf Diese Tendenz zeigt sich

bei allen drei untersuchten Fuumlllgraden Die mit kleinerer Partikelgroumlszlige wachsende spezifische

Oberflaumlche der Partikel scheint zu einer besseren Kontaktierung der einzelnen Partikel zu fuumlhren

sodass sich vermehrt leitfaumlhige Bruumlcken zwischen den Fuumlllstoffpartikeln ausbilden was zu

geringeren Widerstaumlnden fuumlhrt

240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

G175_K G175_M G175_G G180_K G180_M G180_G G185_K G185_M G185_G

flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]

Abb 432 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der binaumlren Compounds

mit unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen (unbehandelt)

Auch nach dem Anschleifen der Probenoberflaumlchen bleiben diese Tendenzen erhalten und es

zeigen sich deutlich niedrigere Materialwiderstaumlnde durch das Abtragen der Polymerrandschicht

wie nachfolgende Abbildung verdeutlicht


43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]


mit unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen (geschliffen)




23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185_K G180_K G175_K G185_M G180_M G175_M G185_G G180_G G175_G

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[

]Biegemodul Biegefestiegkeit Dehnung (max)


mit unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen


44

Bei den untersuchten Compounds zeigt sich ein sehr aumlhnliches Verhalten der unterschiedlichen

Graphitpartikelgroumlszligen bei Steigerung der Fuumlllstoffanteile Die maximalen Dehnungen und die

Biegefestigkeiten sinken mit steigendem Fuumlllgrad wohingegen das Biegemodul ansteigt Durch

die in Summe sehr groszlige Oberflaumlche der Fuumlllstoffpartikel wird viel Polymer absorbiert was

gerade bei sehr hohen Fuumlllstoffanteilen zu einer nicht mehr 100igen Benetzung aller Partikel

fuumlhren kann und somit zu schlechteren mechanischen Eigenschaften Es lassen sich in dieser

Untersuchungsreihe keine signifikanten Einfluumlsse durch die Variation der Partikelgroumlszligen

feststellen



binaumlren Compounds mit unterschiedlicher Graphit-Partikelgroumlszlige kann die folgende Bewertungs-

matrix aufgestellt werden Es werden dabei nicht die einzelnen Fuumlllgrade betrachtet sondern die

Werte der verschiedenen Fuumlllgrade einer Graphitsorte zusammengefasst bewertet Auch hier

bedeutet xxx rarr x wieder besser rarr schlechter Da der Fokus der Betrachtung wie erlaumlutert auf

den rheologischen und elektrischen Kennwerten lag werden diese auch jetzt besonders betrachtet

Es wurde daher fuumlr den weiteren Materialoptimierungsprozess die schieferfoumlrmige Graphitsorte

mit der mittleren Partikelgroumlszlige ausgewaumlhlt

Auswahlkriterien klein mittel groszlig

spezifischer Energieeintrag Extruder x xx x

Rheologie x xx xx


Probekoumlrper spritzgieszligen x x x

elektrische Leitwerte xxx xx x

Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Spritzgieszligen) x xx xx

Waumlrmeleitfaumlhigkeit (BZ-Stack) xx x x

mechanische Kennwerte x xx xx

Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45

Aus den Ergebnissen der ersten und zweiten Materialentwicklungsstufe stellt sich der Fuumlllgrad

von 80 Gew- als am besten geeignet heraus da die Compoundierung am Extruder einfacher als

bei einem Fuumlllgrad von 85 Gew- ist und die Materialviskositaumlt deutlich geringer ausfaumlllt Auch

bei der im dritten Schritt vorgesehenen Zugabe von Ruszligpartikeln welche die Verarbeitbarkeit

zusaumltzlich deutlich erschweren wurde der Gesamtfuumlllgrad von 80 Gew- als sinnvoll betrachtet

und fuumlr die weiteren Optimierungsversuche ausgewaumlhlt

46 Ternaumlre Compoundvarianten unter Zugabe verschiedener Leitruszligtypen

Nach der Auswahl der am besten geeigneten Graphitsorte der mittleren Graphitpartikelgroumlszlige und

der Festlegung des dafuumlr idealen Fuumlllstoffgehalts von 80 Gew- wurden sechs ternaumlre

Compoundvarianten (GraphitRuszligPP) unter Zugabe verschiedener Leitfaumlhigkeitsruszligtypen und

Ruszliggehalte von 3 6 bzw 9 am Doppelschneckenextruder hergestellt Es wurden zwei

verschiedene Ruszligsorten eingesetzt die sich in der Groumlszlige der spezifischen Oberflaumlche

unterscheiden

Morphologie BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

Ruszlig mit groszliger spezifischer Oberflaumlche 910 R1

Ruszlig mit geringerer spez Oberflaumlche 770 R2

Tab 47 Uumlbersicht der verwendeten Ruszligsorten

Es wurde dabei der Graphit mit der entsprechenden Menge Ruszlig vorab in einem Mischer

vermengt und anschlieszligend uumlber einen Sidefeeder in die Polymerschmelze zwangsweise

eingebracht Im Folgenden werden die ausgewerteten Compoundierparameter und die am

Compound und an spritzgegossenen Proben ermittelten Materialkennwerte der dritten Stufe der

Materialoptimierung vergleichend gegenuumlbergestellt Waumlhrend der Compoundierung am

Doppelschneckenextruder bei konstanter Drehzahl von 200 min-1 und einem Durchsatz von

4 kgh wurden das Drehmoment der Massedruck und die Massetemperatur aufgezeichnet sowie


46

der spezifische Energieeintrag berechnet In den folgenden Diagrammen ist vergleichend zu den

hergestellten ternaumlren Compounds (G180_M_R1x bzw G180_M_R2x) immer auch ein

rein binaumlres Compound (G180_M) aus der Optimierungsstufe 2 aufgetragen

74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]

Abb 436 Schmelzetemperatur


47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]

Abb 437 Schmelzedruck

027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]

Abb 438 Spezifischer Energieeintrag

Es wird deutlich dass die Verarbeitung durch das Einbringen der zweiten Fuumlllstoffkomponente

Ruszlig deutlich erschwert wird So steigt das Drehmoment respektive auch die Schmelze-

temperatur mit steigendem Ruszliganteil wesentlich an Auch der sich einstellende Schmelzedruck

an der Extruderduumlsenplatte erhoumlht sich stark Der berechnete spezifische Energieeintrag

unterstreicht die angesprochene Tendenz Der Vergleich zum rein binaumlren Compound macht

deutlich dass bereits kleine Anteile an Ruszlig (hier 3 ) zu signifikant veraumlnderten


48

Verarbeitungsbedingungen waumlhrend der Verarbeitung am Extruder fuumlhren Zwischen den beiden

eingesetzten Ruszligtypen lassen sich geringe Unterschiede feststellen So zeigt die Ruszligtype 2 (mit

geringerer spezifischer Oberflaumlche) weniger starke Anstiege beim Drehmoment der

Schmelzetemperatur dem Schmelzedruck und auch beim berechneten spezifischen

Energieeintrag als die Ruszligtype 1


Wie schon in den vorgegangen beiden Materialentwicklungsstufen wurden die Compounddichten

uumlberpruumlft Die Werte lagen im erwarteten Bereich (Abb 439)

170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC

Abb 439 Dichten der ternaumlren Compounds


Die Viskositaumlten der ternaumlren Compounds aus der dritten Materialentwicklungsstufe sind zu-

sammenfassend in Abb 440 dargestellt Hier ergibt sich ndash bei gleich bleibendem Gesamtfuumlll-

stoffgehalt ndash ein deutlicher Einfluss des Ruszliganteils auf die rheologischen Eigenschaften der

Compounds Aufgrund der wesentlich groumlszligeren spezifischen Oberflaumlche des Ruszliges im Vergleich

zum Graphit nimmt die innere Reibung mit steigendem Ruszliganteil drastisch zu Auch fuumlr die

beiden gewaumlhlten Ruszligtypen sind diese Zusammenhaumlnge deutlich erkennbar Der Ruszligtyp R1 mit

der houmlheren spezifischen Oberflaumlche laumlsst die Viskositaumlt des Compounds noch staumlrker ansteigen

als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC

Abb 440 Viskositaumlten der ternaumlren Compounds


In Abb 441 bis Abb 443 sind die Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der Compounds mit Ruszliganteilen im

Vergleich mit der Materialvariante G180_M ohne Ruszliganteil aufgetragen Aufgrund der groszligen

spezifischen Oberflaumlche und der dem Graphit verwandten Eigenschaften des Ruszliges ist mit einem

weiteren Anstieg der Waumlrmeleitfaumlhigkeit zu rechnen was orthogonal zur Plattenebene (through-

plane) ermittelte Kennwerte auch bestaumltigen Ansonsten gelten die gleichen Zusammenhaumlnge wie

in Kapitel 443 beschrieben

98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC

Abb 441 Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der ternaumlren Compounds



50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




Die folgende Abbildung stellt die an spritzgegossenen Proben ermittelten Materialwiderstaumlnde

der unbehandelten Probekoumlrper gegenuumlber Wie zu erwarten war bedingt die Zugabe von Ruszlig

eine signifikante Reduzierung des Materialwiderstands Mit steigendem Ruszliganteil wird die

Leitfaumlhigkeit des Materials deutlich verbessert Diese Tendenz ist bei beiden eingesetzten


51

Ruszligtypen zu erkennen Im direkten Vergleich zum rein binaumlren Compound (ohne Ruszlig) ist die

Widerstandsabnahme besonders deutlich

245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]

Abb 444 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der ternaumlren Compounds (unbehandelt)


zeigen sich wiederum deutlich niedrigere Materialwiderstaumlnde durch das Abtragen der

Polymerrandschicht wie nachfolgende Abbildung verdeutlicht

42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]

Abb 445 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der ternaumlren Compounds (geschliffen)


52


Nach Auswertung aller Verarbeitungsparameter und Materialkennwerte an den sechs

hergestellten ternaumlren Compounds mit zusaumltzlich eingebrachtem Leitfaumlhigkeitsruszlig kann die

folgende Bewertungsmatrix aufgestellt werden Es werden dabei nicht die einzelnen Compounds

mit unterschiedlichen Ruszliganteilen separat betrachtet sondern die Werte der beiden Ruszligtypen

zusammengefasst bewertet Auch hier bedeutet xxx rarr x wieder besser rarr schlechter Da der

Fokus der Betrachtung wie erlaumlutert auf den rheologischen und elektrischen Kennwerten lag

werden diese auch jetzt besonders betrachtet

Auswahlkriterien Ruszligtyp 1 Ruszligtyp 2

spezifischer Energieeintrag Extruder x x

Rheologie x xx

Materialdichte x x

Probekoumlrper spritzgieszligen x x

elektrische Leitwerte xx x

Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Spritzgieszligen) x xx

Waumlrmeleitfaumlhigkeit (BZ-Stack) xx x

Summe 9 9


Der Vergleich der beiden untersuchten Leitfaumlhigkeitsruszligtypen zeigt tendenziell sehr aumlhnliche

Materialkennwerte im Compound wie die obige Bewertungstabelle veranschaulicht Aufgrund

der fuumlr die Anwendung als Bipolarplatten-Material fuumlr Brennstoffzellen geforderten moumlglichst

hohen elektrischen Leitfaumlhigkeit wurde die Ruszligtype 1 fuumlr das finale Compoundmaterial

ausgewaumlhlt auch wenn die rheologischen Eigenschaften der Ruszligtype 2 geringfuumlgig besser

bewertet wurden Die Dosierung wurde auf 6 (680) festgelegt da die Leitfaumlhigkeit bei den

hohen Anteilen von 6 bzw 9 nach dem Anschleifen der Probekoumlrperoberflaumlchen keine

signifikante Verbesserung mehr durch den houmlheren Ruszliganteil zeigt

Die Ergebnisse der Materialentwicklungsstufen 1 2 und 3 ergeben zusammenfassend folgendes

neu entwickelte Compoundmaterial


53

bull Gesamtfuumlllgrad von 80 Gew-

bull schieferfoumlrmige Graphit-Partikelmorphologie mit groszligem Aspektverhaumlltnis

bull Graphitpartikelgroumlszlige von ca 20 microm

bull Leitfaumlhigkeitsruszlig mit groszliger spezifischer Oberflaumlche

bull Anteil der sekundaumlr Fuumlllstoffkomponente Ruszlig von 6 (680)

Fuumlr die nachfolgenden im Projekt vorgesehenen Untersuchungen am ZBT sowie am DKI wurden

ca 150 kg des finalen Compoundmaterials G180_M_R16 hergestellt und einzelne

Produktionschargen zur Qualitaumltssicherung charakterisiert Es konnten keine signifikanten

Abweichungen zum in der Entwicklungsstufe 3 hergestellten Compound festgestellt werden so

dass dieses hochgefuumlllte Compoundmaterial in einem reproduzierbaren Produktionsprozess

hergestellt werden kann Das nachfolgende Diagramm zeigt die aufgezeichneten Extruder-

parameter waumlhrend einer Produktionsdauer von ca 5 Stunden Das aufgetragene Drehmoment

der Schmelzedruck sowie die Schmelzetemperatur zeigen einen sehr konstanten Verlauf der nur

durch Nachfuumlllprozesse der Gravimetrien unterbrochen wird

Abb 446 Compoundierparameter waumlhrend der Produktion des finalen Compounds

5 Einsatz des Premonitoring-Systems und Ermittlung von Prozessfenstern

54


Die Entwicklung des Premonitoring-Systems dient der prozessnahen rheologischen

Charakterisierung des houmlchstgefuumlllten Graphit-Compounds direkt an der Spritzgieszligmaschine des

ZBT Dadurch sollen unter Einfluss der beim Plastifizieren aufgepraumlgten Scherung rheologische

Untersuchungen erfolgen Eingesetzt als Premonitoring-System soll eine Aussage der

Spritzbarkeit mit dem jeweiligen Material erfolgen koumlnnen Dafuumlr sieht die Konstruktion eine

Rechteck-Schlitzduumlse in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2546 vor welche uumlber entsprechende

Sensorik fuumlr Massedruumlcke und -temperaturen verfuumlgt

51 Entwicklung des Premonitoring-Systems

Zunaumlchst wurden Randbedingungen fuumlr die Auslegung der Rheologiemessduumlse festgelegt welche

sich an der VDI-Richtlinie orientieren aber auch spezielle Eigenschaften der hochviskosen

Compoundschmelze beruumlcksichtigen In der Rechteck-Schlitzduumlse sollen drei Drucksensoren mit

identischem Abstand zueinander fuumlr die Ermittlung der Viskositaumlten dienen Da die Masse aus der

Spritzgieszligmaschine uumlber einen kreisrunden Querschnitt zugefuumlhrt wird muss ein

Uumlbergangsbereich von rund auf rechteckig definiert werden Um Einlaufdruckverluste in diesem

Bereich ermitteln zu koumlnnen wird ein weiterer Drucksensor vor dem Uumlbergangsbereich

positioniert

Als ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Viskositaumlt ist die Massetemperatur zu nennen Damit

diese uumlberpruumlft werden kann wird ein Massetemperatursensor auf gleicher Houmlhe wie der

Einlaufmassedrucksensor positioniert Da alle Sensorbohrungen identische Geometrien

aufweisen koumlnnen die Sensoren frei untereinander vertauscht werden was die Moumlglichkeit

eroumlffnet auch im Schlitzkanal die Massetemperatur zu bestimmen Damit die Masse-

temperaturmessung thermisch von der Duumlse entkoppelt ist wird ein Infrarot-Thermometer

vorgesehen Dies bietet den zusaumltzlichen Vorteil von sehr hohen Reaktionsgeschwindigkeiten da

zur Messung keine thermischen Massen umgeladen werden muumlssen Somit soll auch bei sehr

kurzen und schnellen Einspritzvorgaumlngen eine realistische Temperaturmessung ermoumlglicht

werden Zur Uumlberpruumlfung und Kalibrierung des IR-Thermometers erhaumllt der Sensor zusaumltzlich ein

Thermoelement welches sich mit 05 mm Abstand sehr nah an der Schmelze befindet Somit

sollte es mit geringer zeitlicher Verzoumlgerung realistische Massetemperaturen liefern


55

Um den Schergeschwindigkeitsumfang nicht kuumlnstlich zu verkleinern soll fuumlr die

Viskositaumltsmessungen der volle Umfang des Druckniveaus von 0 - 3500 bar der Spritzgieszlig-

maschine genutzt werden koumlnnen Da mit Druckverlusten bis zum ersten Sensor zu rechnen ist

wird der Messbereich der Drucksensoren auf 0 - 3000 bar festgelegt Zur Absicherung gegen

eventuelle Druckstoumlszlige wird ein Uumlberlastbereich von 20 bis 3600 bar fuumlr alle Sensoren definiert

Da unbekannt ist wie stark sich das Material waumlhrend des Einspritzvorgangs erwaumlrmt und in

welche Richtung sich die Verarbeitungstemperaturen waumlhrend des Projekts entwickeln werden

alle Sensoren und die ganze Duumlse auf maximale Massetemperaturen von 500degC ausgelegt Als

einziger Anbieter kann die FOS-Messtechnik GmbH die gestellten Anforderungen an die

Sensorik erfuumlllen Jeder der Drucksensoren verfuumlgt zusaumltzlich uumlber ein Thermoelement um die

Werkzeugtemperatur zu bestimmen und sich daruumlber zu kalibrieren Diese Temperatur kann

zusaumltzlich zur Uumlberpruumlfung einer homogenen Werkzeugtemperatur herangezogen werden

Die Messduumlse wird vierteilig ausgefuumlhrt (Abb 51) Der Flansch wird in die Spritzgieszligmaschine

eingeschraubt und enthaumllt 2 Sensorbohrungen Zur Gewaumlhrleistung einer hohen Gestaltungs-

freiheit der Schlitzgeometrie ist die eigentliche Duumlse in zwei Haumllften ausgefuumlhrt Dabei enthaumllt

eine Haumllfte die drei Sensoren und die andere Haumllfte wird mit dem Rechteckschlitz versehen Der

Einlaufbereich zur Schlitzduumlse wird als separates Teil ausgefuumlhrt damit die Einlaufgeometrien

variiert werden koumlnnen und um die projizierte Flaumlche und somit die benoumltigten Verspannkraumlfte

der Schlitzduumlse moumlglichst gering zu halten

Abb 51 Modell der Rheologiemessduumlse und austauschbarer Duumlseneinlauf


56

Gemaumlszlig VDI-Richtlinie soll die Rechteck-Kapillare fuumlr ungefuumlllte Schmelzen eine Houmlhe von

05 mm aufweisen Aus fruumlheren Messungen ist jedoch bekannt dass das hochgefuumlllte Material

sehr viel houmlhere Viskositaumlten aufweist als ungefuumlllte Kunststoffe Aus diesem Grund ist neben der

05 mm Duumlse auch jeweils eine 1 und 2 mm hohe Wechselduumlse vorgesehen Neben der

reduzierten Gefahr des Verstopfens der Duumlse kann dadurch zusaumltzlich der Schergeschwindig-

keitsumfang wesentlich vergroumlszligert werden Damit der Wandeinfluss auch bei gesteigerter

Duumlsenhoumlhe gering bleibt wird die Schlitzbreite auf 15 mm festgelegt

Die Laumlnge des Schlitzes sollte lang genug sein zur Bestimmung eines signifikanten Druckabfalls

aber auch nicht zu lang damit die Viskositaumltsmessung moumlglichst druckunabhaumlngig und die

Zuhaltekraft der Duumlsenhaumllften moumlglichst klein bleibt Daruumlber hinaus sollte der Bereich vor dem

ersten Sensor lang genug sein damit am Sensor eine stationaumlre Stroumlmung anliegt Gleiches gilt

fuumlr den Abstand des letzten Sensors zur Austrittsoumlffnung

Aufgrund der Temperierung bis 500degC und der hohen Massedruumlcke kann nicht auf Standard-

schrauben fuumlr die Verspannung der Duumlsenhaumllften und zur Montage am Flansch zuruumlckgegriffen

werden Es muumlssen Schrauben aus hochwarmfestem Material in entsprechender Dimensionierung

ausgewaumlhlt werden Fuumlr die Verspannung der Duumlsenhaumllften werden deswegen M12

Zylinderkopfschrauben aus dem hochwarmfesten Material 14913 verwendet Da auch das

Gegenstuumlck zu den Schrauben aus 14913 sein muss wird die ganze Duumlse aus diesem Material

gefertigt Auszligerdem koumlnnen dadurch Probleme aufgrund unterschiedlicher thermischer

Ausdehnungsfaktoren weitestgehend vermieden werden

Erfahrungen der letzten Jahre bei der spritzgieszligtechnischen Verarbeitung hochgefuumlllter

Compounds zeigten Materialauswaschungen der Werkzeugwand Zugleich kam es zu

Lieferverzug bei der Messsensorik so dass die dadurch bedingte Wartezeit durchaus sinnvoll zur

Ausruumlstung der Duumlsenhaumllften mit einer verschleiszligfesten Schicht genutzt werden konnte Aufgrund

der speziellen Legierung des 14913 erwies sich das Plasmanitrieren als geeignetes Verfahren

Hierdurch konnte eine Haumlrte von uumlber 1000 HV in den ersten zehntel Millimetern gegenuumlber dem

Ausgangsniveau von etwa 300 HV erreicht werden Um zu uumlberpruumlfen inwiefern sich der

Nitrierprozess auf die Oberflaumlchenqualitaumlt und Geometrie auswirkt wurde jede Duumlsenhaumllfte vor

und nach dem Plasmanitrieren mit einem taktilen Perthometer und an einer Koordinaten-

messmaschine mit einer Genauigkeit von 100 nm uumlberpruumlft Dabei konnten keine signifikanten

Abweichungen vom Sollzustand festgestellt werden

Die gesamte Duumlse wird uumlber ein speziell angefertigtes Duumlsenheizband temperiert Die Regelung

geschieht mittels eines in der Duumlse verschraubten Thermoelements Zusaumltzlich wird die

Frontflaumlche isoliert um Abstrahlverluste zu reduzieren Die fertig gestellte Rheologiemessduumlse ist

in der folgenden Abbildung zu sehen


57

Abb 52 Einsatzbereite Rheologiemessduumlse mit allen Sensoren und Heizband

Zur Messwerterfassung wurde ein LabVIEW-Programm entwickelt welches die Werte fuumlr

Schneckenposition (zur Bestimmung der Spritzgeschwindigkeit) Massedruck (Hydraulikdruck

Spritzgieszligmaschine) 4 x Massedrucksensor mit 4 x Werkzeugtemperatur sowie Infrarot- und

Thermoelement-Massetemperatur im Millisekundentakt aufzeichnen kann (Abb 53) Es wurden

zwei Betriebsmodi vorgesehen Automatik und manuell Im Automatikmodus steuert die

Spritzgieszligmaschine den Spritzvorgang Dadurch koumlnnen in einem Messvorgang unterschiedliche

Geschwindigkeiten auch groumlszliger als die maximale Einrichtgeschwindigkeit definiert werden was

im manuellen Betrieb nicht moumlglich ist Im manuellen Modus sind hingegen einfache Messungen

im Tippbetrieb moumlglich

Abb 53 Messwertaufzeichnung und Visualisierung mit LabVIEW


58

52 Verifizierung des Premonitoring-Systems und Ermittlung verarbeitungsspezifischer Einfluumlsse

Erste Versuche mit der aufgebauten Rheologiemessduumlse zeigten dass die Drucksensoren

untereinander abweichende Ergebnisse liefern Wie in Abb 53 zu sehen ist unterscheiden sich

die Sensoren in Offset (Nullwert) und Steigung Die Steigung ist sensorspezifisch haumlngt aber

auch von der Temperatur ab Da die Sensoren herstellerseitig ausschlieszliglich bei der maximalen

Betriebstemperatur von 500degC kalibriert wurden die real genutzte Temperatur jedoch weitaus

geringer ist war eine weitere Kalibrierung notwendig Um parallel zusaumltzliche Messungen

durchfuumlhren zu koumlnnen wurde nur ein einziger Sensor eingeschickt und in einer feinen Rasterung

des Drucks bei 250 310 und 360degC kalibriert Die Temperaturen wurden so festgelegt weil ein

Groszligteil der Rheologiemessungen am DKI bei 250degC erfolgte und 360degC eine moumlgliche

Verarbeitungstemperatur zur Herstellung von Bipolarplatten am ZBT ist Als Zwischenstufe

wurde 310degC gewaumlhlt da fuumlr eine vollstaumlndige Rheologiemessung drei Temperaturen angefahren

werden sollten Durch die Kalibrierdaten und die Erstellung dazugehoumlriger Korrekturgeraden

konnte der maximale Fehler des Sensors von 45 auf 8 bar reduziert werden

Da zur Ermittlung von Rheologiekurven nicht die Absolutwerte des Drucks sondern die

Druckdifferenzen entscheidend sind war es ausreichend einen Sensor beim Hersteller zu

kalibrieren und die Abweichungen der anderen Sensoren auf den kalibrierten Sensor zu

bestimmen Dies erfolgte bei geschlossener Duumlse um ein groszliges Druckspektrum anfahren zu

koumlnnen ohne Material zu verschwenden Die beiden zueinander zu kalibrierenden Sensoren

befanden sich dazu in identischem Abstand zur Schnecke im Flansch der Rheoduumlse montiert

Dabei wurden abhaumlngig vom Temperaturniveau Abweichungen zwischen 6 und 14 Prozent in der

Steigung festgestellt und somit als Korrekturfaktoren festgelegt

Waumlhrend der Messungen stellte sich heraus dass der Offset (Nullwert) aller Drucksensoren von

der Temperatur dem Verspannungszustand und dem Relaxationsverhalten abhaumlngig ist Der

Sensoroffset kann zwar an jedem Sensor manuell eingestellt werden dies ist jedoch nicht

zweckmaumlszligig da dies bei jeder neuen Messreihe erfolgen muumlsste Stattdessen wird der Offset

jedes Sensors zu Beginn und Ende jeder Messreihe erst im Zuge der Auswertung bestimmt Alle

ermittelten Korrekturfaktoren und Offsets werden in der Auswertung beruumlcksichtigt und

regelmaumlszligig uumlberpruumlft

Waumlhrend der ersten Messungen zeigte sich dass das Infrarot-Massethermometer zum Teil

erheblich von den eingestellten Massetemperaturen abweicht Aufgrund dessen erfolgte auch hier

eine Kalibrierung auf die mit dem Thermoelement ermittelte Massetemperatur (T_MTE blau)

Dazu wurden 7 Temperaturen zwischen 250 und 400degC angefahren (Abb 54 und Abb 55)


59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]

T_MIR T0 T1 T2 T3 T_MTE

Abb 54 Messwerte des IR-Thermometers vor der Kalibrierung

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]

T_MIR Kali T0 T1 T2 T3 T_MTE

Abb 55 Messwerte des IR-Thermometers nach der Kalibrierung

Bei 275degC Massetemperatur zeigt das IR-Thermometer (T_MIR rot) geringfuumlgig zu hohe

Temperaturen an und bei 380degC zu niedrige Durch Ermittlung einer Korrekturgeraden konnte

dieser Messfehler beseitigt werden (Abb 55)

Zusaumltzlich wurde ab 275degC jeweils einmal das volle Dosiervolumen von 520 ccm bei der

houmlchsten Geschwindigkeit durch die 1 mm Duumlse geschoben um Aussagen uumlber den

Temperaturanstieg unter diesen Bedingungen treffen zu koumlnnen Die mit dem IR-Thermometer


60

ermittelten Temperaturdifferenzen lagen bei ca 125 K wobei das Thermoelement nur

Aumlnderungen von ca 30 K anzeigte Unter der Annahme die Messung des IR-Thermometers ist

korrekt muumlssen die Geschwindigkeiten zur Ermittlung von Rheologiekurven deutlich reduziert

werden oder die Aussagekraft der Kurven relativiert werden Die deutliche Erhoumlhung der

Temperatur waumlhrend des Durchspritzvorgangs laumlsst sich mit dem hohen Feststoffgehalt der

Schmelze erklaumlren wodurch die Scherung der vielen sich kontaktierenden Partikel in Waumlrme

umgesetzt wird Die Obergrenze der aufgezeichneten Temperatur lag bei 472degC weswegen die

beiden letzten Peaks trotz unterschiedlichem Ausgangsniveau identisch sind Durch Verschieben

des Offsets waumlre dieser Bereich noch mindestens bis zum Messbereichsende von 500degC zu

erweitern Um naumlheres uumlber die wahren Massetemperaturen waumlhrend des Einspritzvorgangs beim

Herstellen von Bipolarplatten zu erfahren waumlre es zweckmaumlszligig eine Duumlse zu entwickeln welche

dies ermoumlglicht Dadurch lieszligen sich Simulationen noch verfeinern

Zur Durchfuumlhrung von Rheologiemessungen muumlssen die Messbedingungen definiert werden

Zunaumlchst ist es erforderlich den minimalen Volumenstrom an der Spritzgieszligmaschine zu

ermitteln um die uumlbrigen Messpunkte festlegen zu koumlnnen Der minimale Volumenstrom liegt bei

08 ccms und wird als erster Messpunkt definiert Um den naumlchsten Messpunkt zu erhalten wird

mit dem Faktor 15 multipliziert Aufgrund der doppellogarithmischen Skalierung der

Rheologiekurven ergeben sich somit identische Schergeschwindigkeitsabstaumlnde Als Obergrenze

wird 98 ccms definiert obwohl bereits bekannt ist dass die Massetemperatur an diesem

Messpunkt deutlich von der Vorgabe abweichen wird Die zu untersuchenden Temperaturen

werden auf die bereits bei der Kalibrierung verwendeten 250 310 und 360degC festgelegt Da die

Untersuchungen groszlige Materialmengen verlangen werden die zu untersuchenden Materialien auf

das ZBT-Material PP-GR825 (siehe Kapitel 61) und das neuentwickelte finale Material

G180_M_R16 festgelegt Aufgrund des in Vorversuchen festgestellten sehr geringen Scher-

geschwindigkeitsumfangs der 05 mm Duumlse wird diese nicht verwendet Bei niedriger viskosem

Material waumlre der Einsatz jedoch sinnvoll Um prozessrealistische Bedingungen zu erhalten wird

mit demselben Dosiervolumen und Massepolster wie beim Spritzgieszligen gearbeitet Daruumlber

hinaus soll die Zykluszeit moumlglichst prozessrealistische 18 Sekunden betragen um identische

Verweilzeiten wie beim Spritzgieszligen von Bipolarplatten zu realisieren Fuumlr die houmlheren

Spritzgeschwindigkeiten wird das Dosiervolumen sukzessive auf 520 ccm und auch die

Zykluszeit erhoumlht um das Material vollstaumlndig durchzuheizen Zur statistischen Absicherung

wird jeder Messpunkt fuumlnfmal angefahren Abb 56 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt aus dem

Messprotokoll das zur Auswertung herangezogen wird Das Excel basierte Auswertetool ist so

modular aufgebaut dass bis zu 30 Messpunkte mit bis zu 10 Wiederholungen verarbeitet werden

koumlnnen


61

Druumlcke amp Geschwindigkeit

00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]

Druck Schnecke P0 P1 P2

P3 Position Schnecke Spritz v ccms Abb 56 Ausschnitt Messprotokoll

Abb 57 zeigt ermittelte Rheologiekurven vom G180_M_R16-Material mit der 1 amp 2 mm

Duumlse zwischen P1 und P3 im Vergleich zu den Messungen am DKI Die mit der

Rheologiemessduumlse ermittelten Viskositaumlten sind grundsaumltzlich houmlher als die am DKI ermittelten

laufen aber weitestgehend parallel dazu Von verarbeitungsspezifischen Einfluumlssen die zu

houmlheren Viskositaumlten fuumlhren ist nicht auszugehen da die aufgepraumlgte Scherung beim Dosieren in

der Spritzgieszligmaschine houmlher ist als bei konventionellen Viskositaumltsmessungen Es ist somit von

systematischen Unterschieden zwischen den Messmethoden auszugehen Des Weiteren ist

auffaumlllig dass mit der 2 mm Duumlse houmlhere Viskositaumlten gemessen wurden als mit der 1 mm Duumlse

Ursaumlchlich dafuumlr kann sein dass die Seitenwandungen bei der 2 mm Duumlse bereits erheblichen

Einfluss auf das Stroumlmungsverhalten haben oder dass Wandgleiteffekte auftreten Dies kann

sinnvoll nur mit einer groumlszligeren Anzahl an Duumlsengeometrien untersucht werden

Positiv hervorzuheben ist dass die Standardabweichungen sehr gering sind was fuumlr eine sehr

gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens spricht Daruumlber hinaus konnte ein sehr groszliger

Schergeschwindigkeitsumfang untersucht werden was bei fruumlheren Messungen am ZBT nicht

moumlglich war Der bereits zu erwartende Effekt dass bei houmlheren Schergeschwindigkeiten

aufgrund der steigenden Massetemperaturen die Viskositaumlt sinkt ist eingetreten Die letzen drei

Punkte entsprechen somit Viskositaumlten bei houmlheren Temperaturen


62

Viskositaumltskurve G180_M_R16

1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Schergeschwindigkeit [1s]

Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

Abb 57 Vergleich Rheologie G180_M_R16 DKI amp ZBT mit 1 amp 2 mm Duumlse bei 250degC

Die Viskositaumltsmessungen des Materials bei 310degC liefern erwartungsgemaumlszlig geringere

Viskositaumlten als bei 250degC Die Kurve mit der 1 mm Duumlse laumluft auf der DKI-Messung bei 250degC

somit bestaumltigt sich die Tendenz dass mit der neuentwickelten Rheologiemessduumlse bei

identischen Temperaturen houmlhere Viskositaumlten gemessen werden als am DKI Aufgrund der nicht

vorhandenen Referenzmessung und bereits sehr guten Flieszligfaumlhigkeit bei 310degC welche sich auch

beim Spritzgieszligen zeigte wurde die 360degC Stufe ausgelassen

Zur Ermittlung der Viskositaumlten wird nur die Differenz zwischen P3 und P1 herangezogen P2

dient dabei der Kontrolle ob ein linearer Druckgradient vorliegt was mit einer druckunab-

haumlngigen Viskositaumlt gleichzusetzen ist Um die Druckunabhaumlngigkeit zu visualisieren werden die

Viskositaumltskurven aus P1-P3 P1-P2 und P2-P3 ermittelt und gegenuumlbergestellt Abb 58 zeigt die

Verlaumlufe mit der 1 mm Duumlse bei 250degC im Vergleich zur DKI-Messung Die drei Kurven

uumlberdecken sich sehr gut weshalb von einer druckunabhaumlngigen Viskositaumlt auszugehen ist P2

wird allerdings nach wie vor zur Kontrolle mitgemessen um die Druckunabhaumlngigkeit zu

uumlberpruumlfen und Messungenauigkeiten besser feststellen zu koumlnnen


63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

P1-P3 1 mm Duumlse ZBT



Abb 58 Uumlberpruumlfung der Druckabhaumlngigkeit der Viskositaumlt

Als Referenzmaterial lief das PP-GR825 bei allen Messungen mit So auch bei den

Rheologiemessungen Es wurden wieder beide Duumlsen diesmal jedoch neben 250 und 310degC auch

bei 360degC genutzt Die Kurven bei 250degC uumlberdecken sich recht gut mit denen des DKI bei

260degC abgesehen von dem etwas steileren Verlauf (Abb 59) Auch zeigt die 2 mm Duumlse nur

geringe Abweichungen zur 1 mm Duumlse

Bei 310degC uumlberdeckt sich die DKI-Messung sehr gut mit der 1 mm Duumlse (Abb 510) Die 2 mm

Duumlse zeigt wiederholt houmlhere Viskositaumlten an weshalb diese Duumlse zunaumlchst fuumlr weitere

Messungen ausgeschlossen wird

Bei 360degC liegt bei niedrigen Schergeschwindigkeiten ein Messfehler vor der sich durch einen

unstetigen Verlauf mit zu geringen Viskositaumlten zeigt (Abb 511) Als Ursache hierfuumlr sind

vermutlich Verluste uumlber die Ruumlckstromsperre zu nennen die bei den geringen

Durchspritzgeschwindigkeiten in Zusammenhang mit der angelegten Temperatur nicht richtig

abdichtet Bei houmlheren Schergeschwindigkeiten deckt sich der Verlauf mit der Messung bei

310degC Insofern koumlnnte auch hier ein Fehler vorliegen da mit geringeren Viskositaumlten zu rechnen

waumlre


64

Viskositaumltskurve PP-GR825

1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI

1 mm Duumlse 250 degC ZBT


Abb 59 Vergleich Rheologiekurven PP-GR825 DKI amp ZBT mit 1 amp 2 mm Duumlse bei 250degC


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI




Abb 511 zeigt die Messungen mit der 1 mm Duumlse bei den drei Temperaturen im Vergleich zu

den am DKI ermittelten Werten mit dem Material PP-GR825 Die Messung bei 310degC ist

deckungsgleich mit der Messung am DKI Bei 250degC liegt ein steilerer Verlauf vor so dass bei

houmlheren Schergeschwindigkeiten sich der Verlauf der Kurve mit der bei 310degC uumlberdeckt Als

wahrscheinliche Ursache hierfuumlr ist die dissipative Erwaumlrmung des Materials zu nennen wodurch

sich die Temperaturniveaus trotz unterschiedlichem Ausgangsniveau mit zunehmender


65

Schergeschwindigkeit angleichen Die Kurve bei 360degC ist deckungsgleich mit der bei 310degC

was vermutlich auf Messungenauigkeiten zuruumlckzufuumlhren ist zumal bereits im unteren

Schergeschwindigkeitsbereich Messungenauigkeiten festgestellt werden konnten

Viskositaumltskurven PP-GR825

1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

250 degC 1 mm Duumlse ZBT



260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

Abb 511 Vergleich Rheologiekurven PP-GR825 DKI amp ZBT mit 1 mm Duumlse bei 250 - 360degC

Letztlich konnte mit der Rheologiemessduumlse ein Verfahren aufgebaut werden mit dem sich in

einem groszligen Temperatur- und Schergeschwindigkeitsbereich reproduzierbare Rheologiekurven

ermitteln lassen Beim Material G180_M_R16 wurden houmlhere Viskositaumlten als beim DKI

festgestellt Die Viskositaumlten beim Material PP-GR825 stimmen weitestgehend uumlberein

Aufgrund von Verzoumlgerungen waumlhrend der Fertigung der Messduumlse und langen Lieferzeiten bei

der Sensorik kam die Messduumlse erst zum Ende der Projektlaufzeit zu Einsatz Deswegen konnte

nicht allen moumlglichen Fehlerursachen vollends nachgegangen werden Ein denkbarer

verarbeitungsspezifischer Einfluss konnte nicht nachgewiesen werden Bemerkenswert war

jedoch die starke dissipative Erwaumlrmung beim Durchschieben des Materials Dem sollte in

folgenden Forschungsvorhaben nachgegangen werden

53 Untersuchung des thermischen Abbaus

Bei der Aufbereitung und Verarbeitung hochgefuumlllter Graphit-Compounds kommt es aufgrund

der groszligen inneren Reibung zu starker Waumlrmeentwicklung und zu erhoumlhten Massetemperaturen

Dies fuumlhrt zu einem vermehrten thermischem Abbau der Polymerketten und zur Abnahme der


66

molekularen Masse Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde der verarbeitungsbedingte

thermische Abbau am Beispiel des neu entwickelten Compounds G180_M_R16 untersucht

Hierzu wurden am Deutschen Kunststoff-Institut die Molekulargewichtsverteilungen der

Polypropylen-Neuware und der PP-Matrizes des Materials G180_M_R16 nach dem

Compoundieren und nach der rheologischen Pruumlfung am Kapillarrheometer analysiert

Die wichtigste Methode zur Bestimmung der molaren Masse von Polymeren ist die Gel-

Permeations-Chromatographie (GPC) Bei dieser Art der Fluumlssigchromatographie findet die

Trennung wechselwirkungsfrei aufgrund des hydrodynamischen Volumens der Molekuumlle statt

Fuumlr die chromatographischen Untersuchungen wurde am DKI eine GPC PL 220 der Firma

Polymer Laboratories eingesetzt Als Detektor wurde ein Brechungsindexdetektor verwendet Die

Konzentration der Probe betrug 1 mgml Als Laufmittel diente ein 124-Trichlorbenzol Dieses

wurde durch Vakuumdestillation gereinigt und vor der Chromatographie mit Butylhydroxytoluol

(BHT 200 mgl) stabilisiert Die Flussrate betrug 1 mlmin Die stationaumlre Phase bestand aus drei

Linearsaumlulen vom Typ bdquoOlexisldquo von Polymer Laboratories (300 x 8 mm ID) Die Temperatur

bei der Chromatographie betrug 150degC Die Kalibration erfolgte gegen eng verteilte Polystyrol-

Standards

Die Ergebnisse der GPC-Untersuchungen sind in Abb 512 dargestellt Ein Vergleich der Mol-

massenverteilungen von Polypropylen-Neuware und finalem Projektmaterial G180_M_R16

veranschaulicht den verarbeitungsbedingten Polymerkettenabbau Er aumluszligert sich in einer

signifikanten Verschiebung der Molmassenverteilung hin zu kleineren Molekulargewichten Die

rheologischen Untersuchungen am Kapillarrheometer und die damit verbundenen thermischen

Belastungen indes bewirken keinen weiteren Polymerkettenabbau

0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000

Molare Masse M [gmol]

log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert

Abb 512 Molmassenverteilung

6 Modellierung der Materialeigenschaften von Polypropylen-Graphit-Compounds

67


61 Erweiterung der Materialdatenbasis

Ein wesentliches Projektziel war die umfassende Charakterisierung aller fuumlr die

Spritzgieszligsimulation relevanten Materialeigenschaften der untersuchten Polypropylen-Graphit-

Compounds Im Verlauf der am Deutschen Kunststoff-Institut durchgefuumlhrten Forschungs-

arbeiten wurde die im Antragstext formulierte Aufgabenstellung um wesentliche Inhalte

erweitert Ergaumlnzend zur Charakterisierung und Aufbereitung der Materialdaten fuumlr die

Simulation wurde am DKI schon in einer fruumlhen Projektphase die Zielsetzung verfolgt eine

umfangreiche Modellentwicklung zur Beschreibung verschiedenster Compoundeigenschaften zu

realisieren Ziel dieser Modellentwicklung war es die thermischen und rheologischen

Eigenschaften von Polypropylen-Graphit-Compounds mit unterschiedlichsten Fuumlllstoffgehalten

auf der Basis von Matrix- und Fuumlllstoffdaten zu berechnen Da die im Rahmen der Compound-

entwicklung (Kapitel 4) hergestellten Materialien ausschlieszliglich hohe fuumlr Bipolarplatten-

Anwendungen relevante Fuumlllstoffgehalte aufweisen mussten fuumlr die Modellentwicklung weitere

Compoundvarianten mit niedrigerem Fuumlllstoffgehalt hergestellt werden die im Folgenden als

Modell-Compounds bezeichnet werden

Die Materialbasis der Modell-Compounds bildete ein kommerzielles Polypropylen-Graphit-

Compound das am Zentrum fuumlr BrennstoffzellenTechnik entwickelt wurde und nachfolgend die

Bezeichnung Compound 825 traumlgt (Kurzzeichen PP-GR825) Das Material wurde fuumlr die

spritzgieszligtechnische Herstellung von Bipolarplatten entwickelt und weist bei einem

Fuumlllstoffgehalt von 82 Gew- einen Graphitgehalt von 779 Gew- und einen Leitruszliggehalt

von 41 Gew- auf

Bei der Herstellung der Modell-Compounds musste der Fuumlllstoffgehalt des Basismaterials

Compound 825 durch Zugabe von Polypropylen im Compoundierverfahren auf Werte von 60 40

und 20 Gew- reduziert werden Die Compoundierarbeiten wurden im Technikum des

Deutschen Kunststoff-Instituts durchgefuumlhrt Dabei kamen ein gleichlaufender Doppelschnecken-

Extruder gravimetrische Dosiergeraumlte sowie ein Stranggranulator zum Einsatz (Abb 61) Beim

Compoundieren der Materialen mit 20 und 40 Gew- Fuumlllstoffgehalt erfolgte die Kuumlhlung der

Schmelzestraumlnge in einem Wasserbad Bei der Herstellung des Compounds mit 60 Gew-

Graphit- und Ruszliggehalt konnte ein Foumlrderband mit Luftkuumlhlung eingesetzt werden Die

Fuumlllstoffmassenanteile der Compounds wurden abschlieszligend mittels Thermogravimetrie

uumlberpruumlft


68

Abb 61 Herstellung der Modell-Compounds am DKI

Fuumlr viele Untersuchungen und Berechnungen sind Kenntnisse der einzelnen Fuumlllstoffvolumen-

anteile von besonderer Bedeutung Die Graphit- und Ruszligvolumenanteile Φg bzw Φr koumlnnen mit

Hilfe der Massenanteile ω und der Dichten ρ der einzelnen Materialkomponenten berechnet

werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)

In Tab 61 sind die Graphit- und Ruszliggehalte der Modell-Compounds als prozentuale Groumlszligen

angegeben (Gew- = ω 100 bzw Vol- = Φ 100 ) Die bei der Berechnung der

Volumenanteile angesetzten Graphit- und Ruszligdichten sind in Tab 62 aufgefuumlhrt Die Dichte der

Polypropylen-Matrix betrug 0916 gcm3


69

Materialbezeichnung Kurzzeichen Graphitgehalt

[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38

Tab 61 Graphit- und Ruszliggehalte der Modell-Compounds

611 Viskositaumlt der Modell-Compounds

Die rheologischen Eigenschaften der Modell-Compounds wurden unter Anwendung der bereits in

Kapitel 432 beschriebenen Pruumlfmethodik ermittelt Abweichend von der im Rahmen der

Materialentwicklung gewaumlhlten Vorgehensweise wurde jedoch die Anzahl der Pruumlftemperaturen

erhoumlht um den Temperatureinfluss auf die Viskositaumlt zu erfassen

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC

Abb 62 Scherratenabhaumlngige Viskositaumlt (PP ndash PP-GR605)

In Abb 62 sind als beispielhaftes Ergebnis dieser Untersuchungen Flieszligkurven des hochgefuumlllten

Modell-Compounds PP-GR605 und der ungefuumlllten Polypropylen-Matrix bei verschiedenen

Temperaturen dargestellt Das ungefuumlllte Polypropylen zeigt ein fuumlr Polymerschmelzen typisches


70

strukturviskoses Flieszligverhalten dh bei steigender Scherbeanspruchung reduziert sich die

Viskositaumlt Dieses Verhalten beruht auf einer Strukturaumlnderung der Molekuumllketten die sich bei

zunehmender Schubspannung in Scherrichtung orientieren und dabei entschlaufen Dadurch sinkt

die innere Reibung und somit der Flieszligwiderstand Mit steigender Temperatur verringert sich die

Viskositaumlt aufgrund einer erhoumlhten Beweglichkeit der Molekuumllketten

Ein hoher Fuumlllstoffanteil aus Graphit- und Ruszligpartikeln fuumlhrt zu einem Anstieg der Viskositaumlt

aufgrund der vermehrten inneren Reibung Die Flieszligkurven des Modell-Compounds PP-GR605

zeigen zudem eine erhoumlhte Intensitaumlt der Strukturviskositaumlt da insbesondere bei geringen

Scherraten eine starke Flieszligbehinderung durch Fuumlllstoffpartikel auftritt

Weitere experimentelle Viskositaumltsdaten der Modell-Compounds koumlnnen dem Kapitel 62

entnommen werden

612 Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Modell-Compounds

Zur Bestimmung der Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Modell-Compounds wurde zunaumlchst die in

Kapitel 433 beschriebene Flash-Methode eingesetzt Die Pruumlfungen erfolgten im Temperatur-

bereich von 25 bis 100degC an spritzgegossenen scheibenfoumlrmigen Proben die am ZBT hergestellt

wurden Im Hinblick auf den in der Praxis dominierenden Waumlrmeuumlbergang zur Werkzeugwand

hin wurden die Messungen ausschlieszliglich senkrecht zur Flieszligrichtung durchgefuumlhrt Die

Oberflaumlchen der Modell-Compound-Proben blieben dabei unbearbeitet um die beim Spritzgieszligen

ausgebildete Schichtenstruktur und die Orientierung der Graphitpartikel vollstaumlndig zu erhalten

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)

PP-GR205 (Nadel-Methode)


PP (Flash-Methode)

PP-GR205 (Flash-Methode)




Abb 63 Temperaturabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Modell-Compounds


71

Die in Abb 63 dargestellten Untersuchungsergebnisse verdeutlichen den Einfluss

unterschiedlicher Fuumlllstoffgehalte auf die Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Compound-Proben So weisen

Proben mit einem Graphit- und Ruszliggehalt von 60 Gew- (PP-GR605) aufgrund der guten

thermischen Leitfaumlhigkeit der Fuumlllstoffe eine sechsfach houmlhere Waumlrmeleitfaumlhigkeit auf als

diejenigen aus reinem Polypropylen Bei einem Graphit- und Ruszliggehalt von 82 Gew- (PP-

GR825) erhoumlht sich die Waumlrmeleitfaumlhigkeit in Dickenrichtung sogar um mehr als das

sechzigfache Die mit Hilfe der Flash-Methode ermittelten Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der Modell-

Compound-Proben zeigen im Bereich von 25 bis 100degC keine signifikante Temperatur-

abhaumlngigkeit

Bei der Berechnung des Spritzgieszligprozesses mit Simulationsprogrammen muumlssen die

thermischen Stoffdaten der untersuchten Polymerwerkstoffe fuumlr den gesamten Temperaturbereich

von Verarbeitungstemperatur bis Raumtemperatur bekannt sein Die Flash-Methode eignet sich

hervorragend zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Feststoffproben Fuumlr die

Analyse von Polymerschmelzen hingegen muumlssen alternative Messverfahren wie zB die

ebenfalls am DKI vorhandene Heizdraht-Methode angewendet werden

Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F

Abb 64 Heizdraht-Methode (Messprinzip)

Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von Polymerschmelzen wird am DKI mit einem Geraumlt der Firma SWO

Polymertechnik GmbH gemessen (pvT 100) Die Messmethodik beruht auf der Annahme dass

eine unendliche lange und duumlnne linienfoumlrmige Waumlrmequelle in einem unendlich ausgedehnten


72

Material liegt dessen Waumlrmeleitfaumlhigkeit bestimmt werden soll [CAR96] Als Waumlrmequelle dient

ein Heizdraht durch den fuumlr eine begrenzte Zeit ein elektrischer Strom flieszligt Die hierdurch

erzeugte Waumlrmemenge wird an das umgebende Material abgegeben und erzeugt eine

Temperaturverteilung An jedem Ort haumlngen die Temperaturen logarithmisch von der Zeit ab Der

zu analysierende Temperaturverlauf wird mit einem Miniaturthermoelement gemessen Heizdraht

und Thermoelement befinden sich in einem nadelfoumlrmigen Messfinger in der Mitte der

zylindrischen Probe Diese befindet sich in einem Stahlzylinder dessen Temperatur T uumlber

Heizbaumlnder kontrolliert werden kann Zusaumltzlich kann durch einen Stempel eine Kraft F

aufgebracht werden die in der Probe einen Druck p erzeugt (siehe Abb 64)

Fuumlr die Waumlrmeleitfaumlhigkeitsmessung an Thermoplasten muss die Polymerprobe zunaumlchst auf

Schmelzetemperatur erwaumlrmt werden Danach wird der Messfinger in die Polymerschmelze

eingebracht und ein konstanter Druck von 20 MPa aufgebaut Anschlieszligend wird die Probe auf

vorher eingestellte Temperaturen abgekuumlhlt bei denen jeweils mehrere Pruumlfzyklen durchgefuumlhrt

werden Anhand der gemessenen Temperaturverlaumlufe kann die Waumlrmeleitfaumlhigkeit λ der Probe

nach Gleichung (62) berechnet werden

( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)

Mit Qamp Waumlrmezufuhr je Laumlnge

T Temperatur

t Zeit

Die Konstante C beruumlcksichtigt dass der gemessene Temperaturanstieg nicht nur von dem zu

analysierenden Probenmaterial sondern auch von der Waumlrmeleitfaumlhigkeit des Sensors selbst

abhaumlngt Die Konstante C wird durch Kalibriermessungen an einer Probe deren Waumlrmeleitfaumlhig-

keit bekannt ist ermittelt

Das am DKI eingesetzte Heizdraht-Verfahren ist fuumlr Untersuchungen an Materialien mit geringer

thermischer Leitfaumlhigkeit ausgelegt Der Messbereich des Geraumlts reicht von 01 bis 08 W(m K)

Das Verfahren eignet sich somit hervorragend fuumlr die Analyse von Polymerwerkstoffen mit

konventionellen Fuumlllstoffen und Fuumlllstoffgehalten Ungeeignet hingegen ist es fuumlr gut

waumlrmeleitende Materialien wie zB Compounds mit Graphit- und Ruszliggehalten von 60 Gew-

und mehr

Aufgrund des begrenzten Messbereichs konnten nur Modell-Compounds mit niedrigem

Fuumlllstoffgehalt mit der Heizdraht-Methode untersucht werden Die Ergebnisse dieser Messungen

sind Abb 63 zu entnehmen


73

Beim Abkuumlhlen teilkristalliner Polymerwerkstoffe werden drei Bereiche durchlaufen der

Schmelze- der Uumlbergangs- und der Feststoffbereich Sowohl beim ungefuumlllten Polypropylen als

auch bei den Modell-Compounds mit niedrigem Fuumlllstoffgehalt sinkt die Waumlrmeleitfaumlhigkeit in

der Schmelze und im Feststoffbereich geringfuumlgig mit abnehmender Temperatur im Uumlbergangs-

bereich jedoch steigt sie an In elektrischen Isolatoren wie Polymere es sind wird die

Waumlrmeenergie in Form von Phononen transportiert Aus der DEBYEschen Theorie ergibt sich eine

Proportionalitaumlt der Waumlrmeleitfaumlhigkeit λ in einem Polymer zu dessen Waumlrmekapazitaumlt cp zur

Dichte ρ zur mittleren freien Weglaumlnge l eines Phonons und zur Schallgeschwindigkeit cS mit

der sich elastische Wellen im Festkoumlrper bewegen [KNA71]

lcρcλ Sp sdotsdotsdotasymp (63)

Die mittlere freie Weglaumlnge l entspricht dem Abstand der Molekuumlle Hiernach kann man

erwarten dass die Waumlrmeleitfaumlhigkeit mit steigender Dichte zunimmt Besonders deutlich wird

dies beim Kristallisieren [MON01] Allerdings muss in derartige Betrachtungen auch der

Temperatureinfluss auf die spezifische Waumlrmekapazitaumlt cp einbezogen werden (siehe Kapitel

613)

Ein Vergleich der mit dem Heizdraht-Verfahren ermittelten Waumlrmeleitfaumlhigkeiten mit

Ergebnissen der Flash-Methode zeigt eine gute Uumlbereinstimmung trotz unterschiedlicher

Probenpraumlparation und Messmethodik (Abb 63) Daher sind die Einfluumlsse der Fuumlllstoff-

orientierung auf die Waumlrmeleitfaumlhigkeit bei niedrigen Graphitgehalten als eher gering

einzuschaumltzen

613 Spezifische Waumlrmekapazitaumlt der Modell-Compounds

Die spezifische Waumlrmekapazitaumlt wurde mit Hilfe eines Differenzialkalorimeters (DSC 7

PerkinElmer) nach dem Leistungskompensationsprinzip ermittelt In der Messkammer des Geraumlts

befinden sich zwei thermisch voneinander getrennte Ofenzellen in einer auf konstanter

Temperatur gehaltenen Umgebung (Abb 65) Die Ofenzellen sind jeweils mit Heizelementen

und Temperatursensoren ausgestattet In beide Zellen werden Aluminiumtiegel mit Deckel

eingesetzt wobei einer der Tiegel die zu untersuchende Probe enthaumllt Bei einer Messung werden

die Probe und die Referenz (Leertiegel) unter Umgebungsdruck gleichzeitig mit konstanter Rate β

von einer Starttemperatur bis zum Erreichen der Endtemperatur geheizt oder gekuumlhlt Dabei

werden die Heiz- bzw Kuumlhlleistungen der beiden Zellen miteinander verglichen Zur Korrektur

von Geraumlte- und Tiegelschwankungen wird eine Basislinie die zuvor mit Leertiegeln


74

aufgenommen wurde von der Messkurve subtrahiert Die Leistung der Probenzelle ist gegenuumlber

der der leeren Zelle um den Betrag C middot β der Waumlrmekapazitaumlt der Probe erhoumlht Damit liefert das

Differenzsignal nach Division durch die Heiz- bzw Kuumlhlrate direkt die Waumlrmekapazitaumlt C

Um genauere Messwerte der Waumlrmekapazitaumlt zu erhalten wird die Temperaturrampe oftmals mit

einer Temperaturmodulation uumlberlagert Die Modulation ist bei PerkinElmer-Geraumlten

dreieckfoumlrmig Durch ein mathematisches Verfahren werden die gemessenen Waumlrmestroumlme dann

mit der vorgegebenen Modulation korreliert und hieraus die Waumlrmekapazitaumlt bzw nach Division

durch die Probenmasse m die spezifische Waumlrmekapazitaumlt cp errechnet

Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand

Beheizbare Messzelle

Temperatur T

Temperatur- und

Waumlrmestromsensor Abb 65 Messprinzip der Differentialkalorimetrie

Die Messungen zur Bestimmung der spezifischen Waumlrmekapazitaumlt wurden im Abkuumlhlmodus bei

einer Kuumlhlrate von 1 Kmin durchgefuumlhrt Neben den Modell-Compounds wurden auch das

Matrixmaterial und das aus Graphit und Ruszlig bestehende Fuumlllstoffgemisch untersucht Letzteres

konnte mit Hilfe eines Pyrolyseverfahrens aus dem Compoundmaterial separiert werden

In Abb 66 sind die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten der untersuchten Materialien in

Abhaumlngigkeit von der Temperatur dargestellt Die Werte der Modell-Compounds nehmen mit

zunehmendem Fuumlllstoffgehalt ab da das Fuumlllstoffgemisch eine wesentlich geringere spezifische

Waumlrmekapazitaumlt als die Polymermatrix aufweist Generell erniedrigt sich die Waumlrmekapazitaumlt mit

sinkender Temperatur Das ungefuumlllte Polypropylen kristallisiert beim Abkuumlhlen ab einer

Temperatur von 142degC sodass es in der Folge aufgrund der frei werdenden Kristallisations-

waumlrme zu einem Maximum im Waumlrmefluss kommt Im Fall der mit Graphit und Ruszlig gefuumlllten

Modell-Compounds setzt die Kristallisation beim Abkuumlhlen bei einer um ca 8 K houmlheren


75

Temperatur ein da die Fuumlllstoffe als Keimbildner wirken und die Kristallisationsgeschwindigkeit

beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit

Abb 66 Temperaturabhaumlngige spezifische Waumlrmekapazitaumlt der Modell-Compounds

614 Spezifisches Volumen der Modell-Compounds

Mit Hilfe von Hochdruck-Dilatometern kann das spezifische Volumen einer Polymerprobe in

Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur (pvT-Daten) gemessen werden Das Deutsche

Kunststoff-Institut verfuumlgt uumlber eine Kolben-pvT-Anlage (pvT 100 SWO Polymertechnik

GmbH) die nach dem in Abb 67 dargestellten Messprinzip arbeitet Waumlhrend der Messung

befindet sich die Polymerprobe in einem beheiz- und kuumlhlbaren Stahlzylinder mit bekanntem

Innendurchmesser D Uumlber einen Messstempel wird eine Kraft F aufgebracht die in der Probe

einen hydrostatischen Druck p erzeugt Bei Aumlnderung der Parameter Temperatur T und Druck p

oder bei Phasenumwandlungen aumlndert sich das Volumen V das eine Probe mit der Masse m

einnimmt Die Volumenaumlnderung wird durch eine Stempelbewegung ausgeglichen und der dazu

benoumltigte Verfahrweg des Stempels gemessen Das spezifische Volumen ν der Probe kann uumlber

das Verhaumlltnis von Volumen zu Masse ermittelt werden

Im Rahmen der Untersuchungen zur Materialcharakterisierung wurde das spezifische Volumen

der Modell-Compounds und der Polymermatrix druck- und temperaturabhaumlngig mit der Kolben-

pvT-Anlage gemessen Hierfuumlr wurden die Polymerproben zunaumlchst bei Verarbeitungs-

temperaturen aufgeschmolzen und kurzzeitig vorkomprimiert Anschlieszligend konnte das

spezifische Volumen der Proben waumlhrend des isobaren Abkuumlhlens auf Raumtemperatur ermittelt


76

werden Die Kuumlhlrate betrug 25 Kmin Im Verlauf der Messung wurde der Pruumlfdruck

schrittweise von 20 MPa (Minimaldruck) bis 160 MPa erhoumlht Die Materialdaten fuumlr

Normaldruck (01 MPa) konnten extrapoliert werden

Beweglicher Kolbenmit Wegaufnehmer

PolymerprobeMasse mTemperatur TDruck pVolumen V

Fester KolbenBeheizbare Zelle

Dichtungen

F

F

D

Abb 67 PvT-Anlage (links) mit schematischer Darstellung des Messprinzips (rechts)

In Abb 68 sind experimentell ermittelte pvT-Diagramme eines hochgefuumlllten Modell-

Compounds (PP-GR605) und der ungefuumlllten Polypropylen-Matrix gegenuumlbergestellt Bei einem

reinen Polymeren steigt das spezifische Volumen im Schmelzebereich bei konstantem Druck

linear mit steigender Temperatur an dh der thermische Ausdehnungskoeffizient ist in diesem

Temperaturbereich eine positive Konstante Dieses Verhalten wird von der Theorie der freien

Volumina erklaumlrt nach der sich das Gesamtvolumen der Schmelze aus dem Partialvolumen der

Molekuumlle dass diese auf Grund der Molekuumllschwingungen beanspruchen und dem Volumen der

Leerstellen zwischen den Molekuumllen zusammensetzt [WAN98] Beide Volumina nehmen beim

Erwaumlrmen einer Schmelze linear mit steigender Temperatur zu Bei houmlherem Druck sinkt

aufgrund der Kompressibilitaumlt beider Partialvolumen das spezifische Volumen der Schmelze

Auszligerdem fuumlhrt die groumlszligere Kompressibilitaumlt des freien Volumens im Vergleich zum

Partialvolumen der Molekuumlle zu einer geringeren thermischen Ausdehnung der Schmelze und

damit zu einer geringeren Steigung

Beim Abkuumlhlen der Polypropylenschmelze kristallisiert ein Teil des Polymers Da Kristalle ein

kleineres spezifisches Volumen als die Schmelze haben sinkt das spezifische Volumen des

semikristallinen Materials im Uumlbergangsbereich Der Druck beeinflusst die Kristallisation derart

dass die Phasenumwandlung mit zunehmendem Druck bei houmlheren Temperaturen stattfindet Im

Feststoffbereich sind die Kompressibilitaumlt und die thermische Ausdehnung der Kristalle kleiner


77

als in der Schmelze Daher sind die Steigung und der Abstand der Isobaren in diesem Bereich

geringer als im Schmelzebereich

Das hochgefuumlllte Compound PP-GR605 zeigt prinzipiell ein aumlhnliches temperatur- und druck-

abhaumlngiges Materialverhalten wie das ungefuumlllte Polypropylen da sich die spezifischen Volumina

der Fuumlllstoffe und der Polymermatrix entsprechend ihrer Massenanteile addieren Der thermische

Ausdehnungskoeffizient von Naturgraphit ist mit einem Wert von 1 middot 10-6 bis 20 middot 10-6 K-1

[SUT62] aumluszligerst niedrig und der Kompressionsmodul mit ca 40 GPa [KIM04] im Vergleich zur

Polymermatrix hoch Daher kann das spezifische Volumen der Fuumlllstoffe im untersuchten

Temperatur- und Druckbereich als annaumlhernd konstant betrachtet werden Da Graphit und Ruszlig

eine houmlhere Dichte als Polypropylen haben ist das spezifische Volumen des hochgefuumlllten

Compounds PP-GR605 generell kleiner als das des Matrixmaterials Aufgrund des houmlheren

Fuumlllstoff-Kompressionsmoduls verringert sich auch die Kompressibilitaumlt des Compounds

Im gefuumlllten Modell-Compound kristallisiert das Polymer waumlhrend des Abkuumlhlens aus der

Schmelze wegen der groszligen Zahl heterogener Keime bei ca 8 K houmlheren Temperaturen (siehe

Kapitel 613) Auf die Druckabhaumlngigkeit der Kristallisation also die Verschiebung des

Uumlbergangsbereiches zu houmlheren Temperaturen mit steigendem Druck haben die Fuumlllstoffe keinen

signifikanten Einfluss

Im Kapitel 65 sind weitere experimentell ermittelte pvT-Daten der Modell-Compounds

aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605

Abb 68 Druck- und temperaturabhaumlngiges spezifisches Volumen (PP ndash PP-GR605)


78

62 Viskositaumltsmodell

Die Viskositaumlt ungefuumlllter Kunststoffe ergibt sich aus der zeitabhaumlngigen viskosen Verformung

der Schmelze und der hierfuumlr erforderlichen Spannung Der Bestimmung der Viskositaumlt liegt

dabei eine angenommene Wandhaftung der Schmelze zugrunde Fuumlr eine Scherbelastung sind

Grundbegriffe der Rheologie sowie die mathematische Beschreibung der Viskositaumlt η in Abb 69

dargestellt [DRU04]

d

uγ = Scherdeformation

dt

γdγ =amp Scherrate

A

Fτ tan= Scherspannung

d

a

Auslenkung uNormalkraft

Tangentialkraft Ftan

Flaumlche A = a bSpaltabstand d

middot

b

γ

τη

amp= Scherviskositaumlt

Abb 69 Grundbegriffe der Rheologie fuumlr Scherbelastung der Schmelze

Zur theoretischen Beschreibung der Scherviskositaumlt hochgefuumlllter Kunststoffe wird haumlufig die

sogenannte Suspensionsrheologie herangezogen [EHR02 PAH83] Suspensionen sind Fest-

Fluumlssig-Gemische bei denen feste Partikel in einer Fluumlssigkeit dispergiert sind Die Fluumlssigkeit ist

im Zusammenhang mit graphitgefuumlllten Compounds die Polymermatrix welche die

kontinuierliche Phase im System darstellt Die Flieszligeigenschaft der Suspension wird durch die

Flieszligfunktion der Traumlger- bzw Matrixfluumlssigkeit sowie durch die Eigenschaften und

Konzentration der suspendierten Partikel (Fuumlllstoffe) beeinflusst [DRU04]

Bei Suspensionen wird uumlblicherweise die Viskositaumlt des Gemisches ηc auf die Viskositaumlt der

Matrix ηm bezogen Die relative Viskositaumlt ηrel ergibt sich zu

m

crel

η

ηη = (64)

Die relative Viskositaumlt haumlngt im Allgemeinen vom Fuumlllstoffgehalt und der Fuumlllstoffform sowie

von der mittleren Partikelgroumlszlige und der Partikelgroumlszligenverteilung ab Auszligerdem wird sie von der

Scherrate und von den Wechselwirkungen zwischen den Partikeln selbst und den Partikeln mit

der Matrix beeinflusst [BOS05 EHR02]


79

Eine mathematische Beschreibung der Zusammenhaumlnge zwischen Fuumlllstoffanteil und Viskositaumlt

ist fuumlr verschiedene Fuumlllstoff-Matrix-Systeme in [EHR02 TEI01] angegeben Allerdings

beruumlcksichtigen diese Modelle nicht dass die Viskositaumlt gefuumlllter Systeme auch von der Scherrate

abhaumlngt Dies fuumlhrt insbesondere bei niedrigen Scherraten wo hohe Fuumlllstoffgehalte eine starke

Flieszligbehinderung hervorrufen koumlnnen zu fehlerhaften Modellprognosen Zur Beschreibung des

Flieszligverhaltens graphitgefuumlllter Compounds erscheint daher zunaumlchst das Modell der

schubspannungsaumlquivalenten Schergeschwindigkeit als besser geeignet [DRU04] Dieses Modell

geht von der Annahme aus dass in einer Polymermatrix entsprechend dem Fuumlllstoffvolumen-

anteil Φf gleichmaumlszligig verteilte Feststoffschichten der Anzahl n und Houmlhe h als Fuumlllstoffaumlquivalent

vorliegen (Abb 610) Die Spaltweite fuumlr das Polymer verringert sich hierdurch um nmiddoth die

Scherrate erhoumlht sich entsprechend Gleichung (65) bis (67) [EHR02]

u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth

Abb 610 Einfluss starrer Koumlrper auf das Geschwindigkeitsprofil zwischen zwei ebenen Platten

d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)

Bezieht man die Scherung des gefuumlllten Systems γc auf die der ungefuumlllten Polymermatrix γm so

erhaumllt man den sogenannten Verschiebungsfaktor B der im Modell die relative Erhoumlhung der

inneren Scherrate des Kunststoffs durch die Fuumlllstoffzugabe angibt (68) [DRU04 MAR08]


80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)

Fuumlr die Bestimmung des Verschiebungsfaktors muumlssen die Flieszligkurven gefuumlllter Polymere bei

konstanter Schubspannung und konstanter Temperatur betrachtet werden Zur Uumlberpruumlfung des

Modells wurden daher zunaumlchst experimentell ermittelte Viskositaumltskurven der Modell-

Compounds mit Hilfe des CARREAU-WLF-Ansatzes approximiert um Messabweichungen

auszugleichen [CAR68 WIL55] In Abb 611 sind Ergebnisse einer solchen Glaumlttung am Beispiel

des Compounds PP-GR605 dargestellt

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

Abb 611 Scherratenabhaumlngige Viskositaumlt (PP-GR605 Messung - CARREAU-WLF-Modell)

Anschlieszligend konnte auf Basis der approximierten Viskositaumltsdaten die Schubspannung τ fuumlr

beliebige Scherraten γ nach Gleichung (69) ermittelt werden

γητ amp= (69)

Auszuumlge dieser Berechnungen sind in Form von Flieszligkurven in Abb 612 zusammengefasst


81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Abb 612 Scherratenabhaumlngige Schubspannung (250degC)

Anhand der Schubspannungsfunktionen wurde der Verschiebungsfaktor B nach Gleichung (68)

fuumlr eine konstante Schubspannung von 100 kPa berechnet Hierbei mussten die Daten des

Compounds PP-GR825 extrapoliert werden da bei diesem Material die messtechnisch realisier-

baren Schubspannungen oberhalb des betrachteten Groumlszligenwerts liegen In Abb 613 sind die

anhand von Flieszligkurven ermittelten Verschiebungsfaktoren in Abhaumlngigkeit vom Fuumlllstoff-

volumengehalt dargestellt Analog hierzu zeigt Abb 614 die nach Gleichung (64) berechnete

relative Viskositaumlt der Modell-Compounds bei einer konstanten Scherrate von 1000 s-1 Die

Abhaumlngigkeiten des Verschiebungsfaktors und der relativen Viskositaumlt vom Fuumlllstoffvolumen-

gehalt sind nicht linear

10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80

Fuumlllstoffvolumengehalt Φ []

Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC

Schubspannung 100 kPa

Abb 613 Verschiebungsfaktoren in Abhaumlngigkeit vom Fuumlllstoffgehalt der Modell-Compounds


82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1

Abb 614 Relative Viskositaumlt in Abhaumlngigkeit vom Fuumlllstoffgehalt der Modell-Compounds

Die bisherigen Analysen an den Modell-Compounds zeigen dass die Wechselwirkungen im

System bdquoFuumlllstoff-Fuumlllstoffldquo einen wesentlichen Einfluss auf die Auspraumlgung des Viskositaumlts-

anstiegs haben Fuumlllstoffwechselwirkungen koumlnnen zB durch sehr hohe Fuumlllstoffgehalte

unguumlnstige Fuumlllstoffformen oder durch sehr kleine Partikel hervorgerufen werden Aufgrund ihrer

groszligen spezifischen Oberflaumlche beeinflussen letztere schon in geringer Konzentration die innere

Reibung und somit die Flieszligeigenschaften von gefuumlllten Polymeren Im Modell der schub-

spannungsaumlquivalenten Schergeschwindigkeit bleiben diese Zusammenhaumlnge unberuumlcksichtigt

Das Modell eignet sich daher nicht zur Berechnung der Viskositaumlt hochgefuumlllter Graphit-

Compounds [DRU04 MAR08]

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde am Deutschen Kunststoff-Institut ein neues

empirisches Modell entwickelt das den Einfluss von Fuumlllstoffwechselwirkungen auf die

Viskositaumlt graphit- und ruszliggefuumlllter Polymere anhand der spezifischen Oberflaumlchen der Fuumlllstoffe

erfasst

Die spezifische Oberflaumlche ist die Gesamtheit aller Oberflaumlchen S eines Teilchenkollektivs

bezogen auf die Masse m oder auf das Volumen V Zur Ermittlung der massenbezogenen

spezifischen Oberflaumlche von poroumlsen oder koumlrnigen Feststoffen werden haumlufig Sorptionsverfahren

wie das sogenannte BET-Verfahren eingesetzt [BRU38] Zwischen der massenbezogenen

spezifischen Oberflaumlche Sm und der volumenbezogenen spezifischen Oberflaumlche SV besteht

folgende Beziehung

mV SρS = (610)

Mit ρ Reindichte der Stoffteilchen


83

Die BET-Oberflaumlchen Sm und die berechneten volumenbezogenen Oberflaumlchen SV aller im

Rahmen der Materialentwicklung verwendeten Graphit- und Ruszligtypen sind in Tab 62

zusammengefasst Die genaue Rezeptur des Compound 825 das als Basismaterial der Modell-

Compounds diente unterliegt der Geheimhaltung Die spezifischen Oberflaumlchen der hier

verwendeten Graphit- und Ruszligtypen sind daher nicht in der nachfolgenden Tabelle enthalten Die

BET-Oberflaumlchen dieser Fuumlllstoffe liegen jedoch dem DKI vor und wurden bei der

Modellbildung beruumlcksichtigt

Bezeichnung Reindichte

[gcm3]

spezifische Oberflaumlche Sm

[m2g]

spezifische Oberflaumlche SV

[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463

Tab 62 Spezifische Oberflaumlchen der verwendeten Graphit- und Ruszligtypen

Entscheidende Einflussgroumlszligen fuumlr die rheologischen Eigenschaften von graphit- und ruszliggefuumlllten

Compounds sind Fuumlllstoffgehalte Partikelgroumlszligen Scherraten und Flieszligfaumlhigkeit der Polymer-

matrix In das DKI-Modell zur Berechnung der Compoundviskositaumlt ηc gehen daher neben den

Graphit- und Ruszligvolumenanteilen Φg und Φr auch die jeweiligen volumenbezogenen

spezifischen Oberflaumlchen SVg und SVr sowie die Scherrate γ und die Viskositaumlt ηm des

Polymermaterials ein (Gleichung (611) bis (613))

ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)

Die Guumlte des neuen Modells wurde anhand von experimentellen Viskositaumltsdaten uumlberpruumlft

Auszuumlge dieser Analysen sind in Abb 615 bis Abb 618 zusammengefasst

In Abb 615 und Abb 616 werden die Auswirkungen des Graphit- und Ruszliggehalts auf das

strukturviskose Flieszligverhalten der Modell-Compounds bei verschiedenen Temperaturen

betrachtet Dabei zeigt sich eine gute Uumlbereinstimmung von Messergebnis und Modellrechnung

Der Temperatureinfluss wird im Modell ausschlieszliglich uumlber die Viskositaumlt der Polymermatrix

beruumlcksichtigt

Abb 617 zeigt den Einfluss verschiedener Graphittypen auf die Viskositaumlt Bei konstantem

Fuumlllstoffgehalt wirken sich unterschiedliche Fuumlllstoffpartikelgroumlszligen bzw spezifische Oberflaumlchen

signifikant auf die Flieszligeigenschaften aus Diese Zusammenhaumlnge werden vom DKI-Modell

realitaumltsnah beschrieben

In hochgefuumlllten Compounds verursachen schon wenige Volumenanteile sehr kleiner

Fuumlllstoffpartikel einen erheblichen Anstieg der Viskositaumlt aufgrund der groszligen inneren Reibung

In Abb 618 wird dies anschaulich dokumentiert Sowohl im Experiment als auch im DKI-

Modell fuumlhrt eine Substitution geringer Graphitanteile durch nanoskaligen Leitruszlig zu einer

drastischen Viskositaumltserhoumlhung

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

Abb 615 Einfluss des Fuumlllstoffgehalts auf die Viskositaumlt (220degC Messung ndash DKI-Modell)


85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell

Abb 617 Einfluss des Graphittyps auf die Viskositaumlt (250degC Messung ndash DKI-Modell)

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell

Abb 618 Einfluss des Ruszliggehalts auf die Viskositaumlt (250degC Messung ndash DKI-Modell)


86

63 Waumlrmeleitfaumlhigkeitsmodell

Hochgefuumlllte Compounds die aus anorganischen partikulaumlren Fuumlllstoffen und einem matrix-

bildenden Polymeren bestehen werden maszliggeblich von den spezifischen Eigenschaften der

Fuumlllstoffe gepraumlgt Ein umfassendes Modell zur Beschreibung der Waumlrmeleitfaumlhigkeit

hochgefuumlllter Graphit-Compounds muumlsste daher auch die richtungsabhaumlngigen thermischen

Eigenschaften der Graphitpartikel beruumlcksichtigen In kommerziellen Spritzgieszligsimulations-

programmen wird die Waumlrmeleitfaumlhigkeit jedoch gegenwaumlrtig noch als isotrop und somit

unabhaumlngig von der Fuumlllstofforientierung betrachtet Diesem Sachverhalt muss eine Modell-

entwicklung die das Ziel verfolgt Materialkennwerte fuumlr die Spritzgieszligsimulation abzuschaumltzen

Rechnung tragen

Im Hinblick auf eine praxisnahe Beschreibung gilt es daher vorrangig die Waumlrmeleitung in

spritzgegossenen graphitgefuumlllten Formteilen zur Werkzeugwand hin zu betrachten (through-

plane) Fuumlr die Modellbildung wurden experimentelle Daten herangezogen die an flaumlchigen

Proben mit typischen Orientierungszustaumlnden ermittelt wurden (siehe Kapitel 443 453 463

und 612) Die Anwendung von einfachen Mischungsregeln zur Berechnung der

Waumlrmeleitfaumlhigkeit von Verbundwerkstoffen [MON01 MEN02] erwies sich fuumlr hochgefuumlllte

Graphit-Compounds als ungeeignet Am Deutschen Kunststoff-Institut wurde daher ein

neuartiger empirischer Modellansatz entwickelt der die Waumlrmeleitfaumlhigkeit graphit- und

ruszliggefuumlllter Formteile in Dickenrichtung abschaumltzt (Gleichung (614) bis (618))

Das DKI-Modell basiert auf Gleichungen die HALPIN und TSAI im Jahre 1969 zur Berechnung

der elastischen Eigenschaften faserverstaumlrkter Verbundwerkstoffe veroumlffentlichten [HAL76] Fuumlr

die Beschreibung der Waumlrmeleitfaumlhigkeit von Graphit-Compounds λc wird im DKI-Ansatz ein

Strukturfaktor ξ eingefuumlhrt der die volumenbezogenen spezifischen Oberflaumlchen SV der Fuumlllstoffe

beruumlcksichtigt Weitere Eingangsgroumlszligen des DKI-Modells sind die Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der

Polymermatrix λm und des Fuumlllstoffs λf sowie der Fuumlllstoffvolumenanteil Φf Letzterer teilt sich

wieder in einen Graphitanteil Φg und einen Ruszliganteil Φr auf Die Fuumlllstoffe werden als isotrop

betrachtet und ihre Waumlrmeleitfaumlhigkeit mit 150 W(m K) angesetzt was annaumlhernd dem

Mittelwert entspricht der experimentell an gepressten Graphitproben mit hohem Aspektverhaumlltnis

ermittelt wurde (siehe Abb 416)

Die Abb 619 und Abb 620 zeigen Vergleiche der mit dem DKI-Modell fuumlr verschiedene

Fuumlllstofftypen und Fuumlllstoffvolumenanteile berechneten Waumlrmeleitfaumlhigkeiten mit experimentell

ermittelten Daten Zumeist kann eine sehr gute Uumlbereinstimmung von Modellprognose und

Messwert konstatiert werden


87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10

Fuumlllstoffvolumenanteil Φ [ ]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane

Abb 619 Waumlrmeleitfaumlhigkeit (25degC Messung ndash DKI-Modell)


88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane

Abb 620 Temperaturabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Messung ndash DKI-Modell)

64 Berechnung der spezifischen Waumlrmekapazitaumlt

Die Waumlrmekapazitaumlt eines gefuumlllten Polymeren kann durch eine Addition der Waumlrmekapazitaumlten

der einzelnen Komponenten entsprechend ihrer Massenanteile beschrieben werden [MON01] Die

in Kapitel 613 vorgestellte spezifische Waumlrmekapazitaumlt der graphit- und ruszliggefuumlllten Modell-

Compounds cpc laumlsst sich also anhand einer Mischungsregel wie folgt berechnen

ffpmmpcp ωcωcc += (619)

rgf ωωω += (620)

Hierbei stellen cpm und cpf die spezifischen Waumlrmekapazitaumlten von Polymermatrix und Fuumlllstoff

sowie ωm und ωf deren jeweilige Massenanteile dar Der Fuumlllstoffmassenanteil setzt sich aus

einem Graphitanteil ωg und einem Ruszliganteil ωr zusammen

In Abb 621 wird anschaulich dargestellt dass die mit einer Mischungsregel berechneten

Waumlrmekapazitaumlten nahezu identisch mit den experimentell ermittelten Daten der Modell-

Compounds sind Lediglich im Bereich des Phasenuumlbergangs treten groumlszligere Abweichungen

aufgrund der Verschiebung der Kristallisationstemperatur auf (siehe Kapitel 613)


89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig

Abb 621 Temperaturabhaumlngige spezifische Waumlrmekapazitaumlt (Messung - Modell)

65 Berechnung der pvT-Daten

Auch die pvT-Daten eines gefuumlllten Polymeren koumlnnen mit Hilfe einer Mischungsregel ermittelt

werden Analog zur Waumlrmekapazitaumlt berechnet sich das spezifische Volumen der Modell-

Compounds νc anhand der Polymer- und Fuumlllstoffeigenschaften νm und νf sowie der jeweiligen

Massenanteile ω nach folgenden Gleichungen

ffmmc ωνωνν += (621)

rgf ωωω += (622)

Im untersuchten Temperatur- und Druckbereich kann das spezifische Volumen der Fuumlllstoffe mit

046 cm3g als konstant betrachtet werden (siehe Kapitel 614)

Die Abb 622 und Abb 623 zeigen eine Gegenuumlberstellung von experimentell ermittelten pvT-

Daten und berechneten Kennwerten der Modell-Compounds Signifikante Divergenzen zwischen

Modell und Experiment entstehen wiederum nur beim Phasenuumlbergang kongruent zur

Berechnung der spezifischen Waumlrmekapazitaumlt


90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell

Abb 622 Spezifisches Volumen (01 MPa Messung - Modell)

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


7 Spritzgieszligen und Spritzgieszligsimulation

91


71 Untersuchungen zum Waumlrmeuumlbergang beim Spritzgieszligen

Beim Thermoplast-Spritzgieszligen wird der heiszligen Kunststoffschmelze im Spritzgieszligwerkzeug

Waumlrme durch das kalte Werkzeug entzogen Hierzu muss die Waumlrme durch Waumlrmeleitung uumlber

den Kunststoff und den Werkzeugstahl zu den Kuumlhlkanaumllen gelangen Das hieraus resultierende

Temperaturprofil im Formteil kann mit Hilfe der thermischen Stoffgroumlszligen Waumlrmeleitfaumlhigkeit

und Waumlrmekapazitaumlt sowie der Dichte berechnet werden Zur vollstaumlndigen Betrachtung der

Waumlrmetransportvorgaumlnge beim Spritzgieszligen muss auszligerdem der Waumlrmeuumlbergang vom Kunststoff

in das Werkzeug definiert werden [BLU96]

Uumlblicherweise wird der Waumlrmeuumlbergang zwischen zwei Stoffen mit Hilfe eines Kontaktwider-

stands bzw eines Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten α beschrieben Bei der Simulation des

Spritzgieszligprozesses wird haumlufig davon ausgegangen dass dieser Koeffizient sehr hoch ist So

betraumlgt der Standardwert fuumlr den Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten im Simulationsprogramm

Moldflow 25000 W(m2 K) und geht als Konstante in die Berechnung ein Dieser hohe Wert wird

damit begruumlndet dass der Waumlrmeuumlbergang beim Spritzgieszligen aufgrund der hohen Druumlcke nahezu

ideal sei und somit keine Relevanz fuumlr die Berechnung hat [BRU06] Da der reale

Werkzeuginnendruck jedoch uumlber der Zykluszeit abnimmt und gegen Ende auf Umgebungsdruck

abfaumlllt ist mit einer deutlichen Aumlnderung des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten zu rechnen

Das Hauptproblem bei der messtechnischen Bestimmung des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten stellt

die Erfassung der Formteiloberflaumlchentemperatur waumlhrend des Spritzgieszligzyklus dar Dies duumlrfte

der Grund dafuumlr sein dass bisher nur von wenigen Autoren experimentell ermittelte Werte fuumlr

den Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten beim Spritzgieszligen veroumlffentlicht wurden Erste Messer-

gebnisse wurden von YU et al im Jahre 1990 publiziert [YU90] Bei den an einem ABS durch-

gefuumlhrten Untersuchungen wurden ausschlieszliglich Standard-Mantelthermoelemente eingesetzt die

durch ihr relativ traumlges Ansprechverhalten und durch Waumlrmeableitfehler eine exakte Ermittlung

der Formteiloberflaumlchentemperatur erschweren oder verhindern Aus diesen Gruumlnden verwendete

BLUHM einen IR-Sensor bei der Bestimmung des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten [BLU96]

BLUHM fuumlhrte die Experimente an Polypropylen durch dem eine geringe Menge Ruszlig zur

Reduzierung der Eindringtiefe im nahen Infrarot zugegeben wurde Die houmlchsten Werte fuumlr den

Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten erzielte er mit ca 2500 W(m2 K) zu Beginn der Nachdruckphase

Im weiteren Verlauf der Abkuumlhlphase sank der Koeffizient rasch ab Juumlngere Untersuchungen von

BRUNOTTE zeigten gaumlnzlich abweichende Resultate [BRU06] Zur Ermittlung des Waumlrmestroms

wurde hier eine mit Thermoelementen bestuumlckte Messplatte eingesetzt Es ergaben sich durchweg


92

niedrige Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten (lt1000 W(m2 K)) deren Verlaumlufe uumlber den gesamten

Zyklus hinweg eher inkonsistent erscheinen

Aus der geringen Anzahl experimenteller Daten zum Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten beim

Spritzgieszligen ergibt sich somit bisher ein sehr uneinheitliches Bild

711 Entwicklung des Versuchswerkzeugs

Fuumlr die Untersuchung der Waumlrmetransportvorgaumlnge beim Spritzgieszligen wurde auf ein am DKI

vorhandenes 2-Platten-Werkzeug zuruumlckgegriffen Das Werkzeug verfuumlgt uumlber auswechselbare

Einsaumltze die zur Herstellung von plattenfoumlrmigen Probekoumlrpern mit den Grundabmessungen 80 x

80 mm dienen Ein optimiertes Angussystem mit abgestuften Verteiler- und Anschnittdicken

ermoumlglicht einen nahezu parallelen Flieszligfrontenverlauf in der Plattenkavitaumlt was durch

experimentelle Fuumlllstudien belegt wurde [BMB00] Das Spritzgieszligwerkzeug ist mit umfangreicher

Sensorik zur optimalen Prozessuumlberwachung ausgestattet Mehrere Mantelthermoelemente in den

duumlsen- und auswerferseitigen Formteilplatten ermoumlglichen eine genaue Kontrolle der

Werkzeugtemperatur Die Druckverlaumlufe im Angusskanal und im Formnest koumlnnen mit Hilfe von

piezoelektrischen Werkzeuginnendrucksensoren ermittelt werden

Im Rahmen des aktuellen Forschungsprojekts wurde das Spritzgieszligwerkzeug modifiziert und mit

einem neu konstruierten Waumlrmestromeinsatz ausgestattet (Abb 71) Der Einsatz ist mit einem

IR-Werkzeuginnenthermometer Typ MTS 408 und einem Gradiententhermometer Typ MGT 408

der Firma FOS Messtechnik GmbH bestuumlckt (Abb 72) Auszligerdem verfuumlgt er uumlber zwei Mantel-

thermoelemente (Oslash 100 mm) und ein massearmes Miniatur-Mantelthermoelement (Oslash 025 mm)

Die Waumlrmestromsensoren wurden in Houmlhe des angussfernen Werkzeuginnendrucksensors linear

und damit parallel zum Flieszligfrontverlauf der Schmelze angeordnet Das Gradiententhermometer

und die Mantelthermoelemente dienen zur Erfassung der Werkzeugoberflaumlchentemperatur sowie

lokaler Werkzeugtemperaturen in definierten Abstaumlnden zur Oberflaumlche der Plattenkavitaumlt Mit

Hilfe des IR-Werkzeuginnenthermometers soll die Oberflaumlchentemperatur des Formteils ermittelt

werden Das Miniatur-Mantelthermoelement wird zur Messung der Schmelze- bzw

Formteiltemperatur eingesetzt Mittels Stuumltz- und Klemmelementen kann es in der Mitte oder am

Rand der 32 mm tiefen Kavitaumlt positioniert werden (Abb 73) Durch die parallele Lage zu den

Formteilisothermen werden Waumlrmeableitfehler minimiert Die Positionierung in der Randschicht

ermoumlglicht eine naumlherungsweise Ermittlung der Formteiloberflaumlchentemperatur und stellt eine

Alternative zum IR-Werkzeuginnenthermometer dar Die Messdaten werden mit Hilfe eines

CQC-Messwerterfassungssystems aufgezeichnet und analysiert


93

Temperatursensoren Drucksensoren

Abb 71 Spritzgieszligwerkzeug mit Waumlrmestromeinsatz

1 IR-Werkzeuginnenthermometer

2 Gradiententhermometer

3 Mantelthermoelement (Oslash 100 mm)

4 Miniatur-Mantelthermoelement 025 mm)

5 Werkzeuginnendrucksensor

(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3

Abb 72 Waumlrmestromeinsatz mit Sensorik


94

Links obenEinsatzkomponenten fuumlrMiniatur-Mantelthermoelement

Links untenPositionierung fuumlr Messungin der Mittelschicht

ObenEinbau im Spritzgieszligwerkzeug(Positionierung Randschicht)

Abb 73 Einsatz zur Messung der Schmelzetemperatur

712 Experimentelle Ermittlung der Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten

Die Untersuchungen zum Waumlrmeuumlbergang zwischen Formteil und Werkzeug wurden mit einer

Zweikomponenten-Spritzgieszligmaschine der Firma Kloumlckner Ferromatik Desma FX 75-2F auf der

Materialbasis der Modell-Compounds durchgefuumlhrt Dabei musste der Volumenstrom in der

Fuumlllphase auf 20 cm3s begrenzt werden um die eingesetzten Miniatur-Mantelthermoelemente

nicht zu zerstoumlren Das Flieszlig- und Einfrierverhalten der hochgefuumlllten Modell-Compounds ist in

Abb 74 anhand exemplarischer Fuumlllstudien dokumentiert Die hierbei verwendeten

Verarbeitungsparameter sind ebenfalls in der Abbildung aufgelistet Beim Spritzgieszligen des

Materials PP-GR825 konnte die Kavitaumlt des Werkzeugs trotz einer Spritzdruckbegrenzung von

200 MPa aufgrund extrem kurzer Einfrierzeiten und hohem Druckbedarf nicht vollstaumlndig gefuumlllt

werden Das Compound PP-GR605 hingegen konnte wegen seines geringeren Graphit- und

Ruszliggehalts bei ansonsten gleichen Prozessbedingungen problemlos verarbeitet werden Die

Studie in Abb 74 zeigt jedoch auch hier deutliche Einfluumlsse der thermisch gut leitenden

Fuumlllstoffe auf das Flieszlig- und Einfrierverhalten der Schmelze


95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa

Abb 74 Spritzgegossene Platten (links Fuumlllstudie PP-GR605 rechts PP-GR825)

Erste Versuche mit dem Infrarot-Werkzeuginnenthermometer der Firma FOS Messtechnik GmbH

zeigten schnell dass der Sensor im Gegensatz zu den Herstellerangaben keine Oberflaumlchen-

temperaturen erfassen kann Er ermittelt vielmehr einen integralen Temperaturwert uumlber eine

nicht naumlher zu definierende Formteildicke (Abb 75) Dieser Effekt konnte auch durch die

Zugabe von Ruszlig nicht verhindert werden Zur Messung der Formteiloberflaumlchentemperatur

musste daher auf das ebenfalls im Waumlrmestromeinsatz integrierte Miniatur-Mantelthermoelement

zuruumlckgegriffen werden In der Folge konnten mit diesem massearmen und schnellen

Thermoelement lokale Formteiltemperaturen wahlweise in der Mittel- oder in der Randschicht

erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor

Werkzeug Oberflaumlche

Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP (schwarz)

T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC

V Einspritzen 20 cm3s

p Nachdruck 20 MPa

Abb 75 IR-Temperaturmessung (PP schwarz)


96

In Abb 76 und Abb 77 sind Auszuumlge der Temperaturmessungen mit dem neu entwickelten

Waumlrmestromeinsatz zusammengefasst Bei einem vorgegebenen Volumenstrom von 20 cm3s

erreicht die Schmelzefront nach 18 s der Fuumlllphase die Messstelle Mit Hilfe der schnell

ansprechenden Miniatur-Mantelthermoelemente konnte die lokale Formteiltemperatur praumlzise

ermittelt werden Waumlhrend die Temperatur der Randschicht sich rasch der Werkzeugtemperatur

naumlhert kuumlhlt die Mittelschicht wesentlich langsamer ab Beim Spritzgieszligen der Formteile aus

ungefuumllltem Polypropylen kommt es im Verlauf der Nachdruck- und Abkuumlhlphase in den

mittleren Formteilschichten zu einer signifikanten Verzoumlgerung des Temperaturabfalls durch frei

werdende Kristallisationswaumlrme (Abb 76) Ein hoher Gehalt an thermisch gut leitenden

Fuumlllstoffen bewirkt eine beschleunigte Waumlrmeuumlbertragung ins Werkzeug und somit deutlich

verkuumlrzte Einfrierzeiten (Abb 77)

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

Polymer Mittelschicht

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 76 Gemessene Temperaturverlaumlufe im Formteil und Werkzeug (PP)

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 77 Gemessene Temperaturverlaumlufe im Formteil und Werkzeug (PP-GR605)


97

Zur Bestimmung des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten muss der Waumlrmestrom zwischen Formteil

und Spritzgieszligwerkzeug bekannt sein Da dieser nicht direkt gemessen werden kann muss er

anhand einer Waumlrmestrombilanz ermittelt werden [BLU96] Unter der Voraussetzung

quasistationaumlrer Bedingungen koumlnnen die Waumlrmestroumlme zwischen den Thermoelementen im

Werkzeug und zwischen Formteil- und Werkzeugoberflaumlche gleichgesetzt werden

( ) ( )WWOW

WOFO TTs

λTTα minus=minus (71)

Mit α Waumlrmeuumlbergangskoeffizient

s Thermoelementabstand im Werkzeug

λW Waumlrmeleitfaumlhigkeit Werkzeug

TWO Oberflaumlchentemperatur Werkzeug

TFO Oberflaumlchentemperatur Formteil

TW Werkzeugtemperatur im Abstand s zur Oberflaumlche

Probleme treten bei dieser Betrachtungsweise vor allem in der Einspritz- und Kompressionsphase

auf da sich hier die Temperaturen noch sehr schnell aumlndern und keine stationaumlren Verhaumlltnisse

vorliegen Schon in der fruumlhen Nachdruckphase treten jedoch nur noch geringe Differenzen auf

sodass die Annahme quasistationaumlrer Bedingungen als Voraussetzung fuumlr Gleichung (71)

gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Waumlrmeuumlbergangskoeff

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 78 Temperaturverlaumlufe und Waumlrmeuumlbergangskoeffizient (PP-GR605)


98

Zur Veranschaulichung der Zusammenhaumlnge sind in Abb 78 die fuumlr die Waumlrmestromberechnung

relevanten Werkzeug- und Formteiltemperaturen eines hochgefuumlllten Modell-Compounds und der

aus Gleichung (71) resultierende Waumlrmeuumlbergangskoeffizient gegenuumlbergestellt Gegen Ende der

Einspritz- und Kompressionsphase ergibt sich fuumlr das Compound PP-GR605 ein maximaler

Waumlrmeuumlbergangskoeffizient von ca 40000 W(m2 K) der uumlber einige Sekunden hinweg

annaumlhernd konstant bleibt und dann rasch auf einen Wert von nur noch 2000 W(m2 K) faumlllt

Dabei korreliert der Verlauf des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten uumlber der Zykluszeit mit der in

Abb 79 dargestellten Werkzeuginnendruckkurve des entsprechenden Modell-Compounds Bei

den in den Abbildungen aufgefuumlhrten Prozessbedingungen wird der Siegelzeitpunkt bereits kurz

nach Beendigung der Kompressionsphase erreicht Nach Ablauf von 8 s sinkt der Werkzeug-

innendruck an der Messstelle aufgrund zunehmender Schwindung auf Umgebungsdruck Zu

diesem Zeitpunkt geht der gute Kontakt zwischen Formteil und Werkzeug verloren Dies aumluszligert

sich in einem temporaumlren Anstieg der Formteiloberflaumlchentemperatur und einem drastischen

Abfall des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten

0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 79 Gemessene Druckverlaumlufe (Modell-Compounds)

Ein Vergleich der Diagramme in Abb 79 und Abb 710 zeigt dass bei allen Experimenten der

Einfluss der wirksamen Nachdruckzeit auf den Waumlrmeuumlbergang nachgewiesen werden konnte

Daruumlber hinaus ergab sich eine eindeutige Korrelation zwischen dem Betrag des

Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten und dem Fuumlllstoffgehalt bzw der Waumlrmeleitfaumlhigkeit der

untersuchten Modell-Compounds Bei den Spritzgieszligversuchen mit ungefuumllltem Polypropylen

wurde uumlber die gesamte wirksame Nachdruckzeit hinweg ein nahezu konstanter Waumlrme-

uumlbergangskoeffizient von 5000 - 6000 W(m2 K) ermittelt Durch die Zugabe thermisch gut


99

leitender Fuumlllstoffe konnte der Waumlrmeuumlbergang zwischen Formteil und Werkzeug deutlich

verbessert werden So erhoumlhte sich der Maximalwert des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten bei

einem Fuumlllstoffgehalt von 20 Gew- Graphit und Ruszlig auf ca 8000 W(m2 K) Die

Untersuchungen an den Modell-Compounds mit 40 und 60 Gew- Graphit- und Ruszliggehalt

ergaben sogar Werte von 12000 bzw 40000 W(m2 K) Hieraus laumlsst sich der in Abb 711

dargestellte Zusammenhang zwischen Waumlrmeuumlbergangskoeffizient und Waumlrmeleitfaumlhigkeit des

Formteils ableiten der Ruumlckschluumlsse auf den Waumlrmeuumlbergang beim Spritzgieszligen von

Bipolarplatten aus hochgefuumlllten Graphit-Compounds ermoumlglicht

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 710 Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten (Modell-Compounds)

1000

10000

100000

1000000

01 10 100

Waumlrmeleitfaumlhigkeit λ c [W(m K)]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

Abb 711 Korrelation Waumlrmeuumlbergangskoeff - Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Modell-Compounds)


100

713 Webapplikation

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde am Deutschen Kunststoff-Institut eine Web-

applikation zur Berechnung des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten entwickelt Das Programm basiert

auf der in Kapitel 712 vorgestellten Waumlrmestromberechnung Es verfuumlgt uumlber eine graphische

Benutzeroberflaumlche mit Eingabemaske und Importfunktion zum Laden der fuumlr die Berechnung

relevanten Temperaturdaten Die Ergebnisse werden in Diagrammform dargestellt und koumlnnen als

CSV-Datei exportiert werden (Abb 712) Auf das Programm kann uumlber das Internet unter

httpwwwdki-onlinede Technologie Methoden Waumlrmeuumlbergangskoeffizient zugegriffen

werden

Abb 712 Webapplikation

72 Spritzgieszligen von Formteilen aus Polypropylen-Graphit-Compounds

Im Projektverlauf wurden umfangreiche Spritzgieszligversuche an graphit- und ruszliggefuumlllten

Polypropylen-Compounds durchgefuumlhrt Dabei sollte der Einfluss von Fuumlllstofftyp und

Fuumlllstoffgehalt auf das Flieszlig- und Einfrierverhalten waumlhrend der Fuumlll- und Nachdruckphase

untersucht werden Am Zentrum fuumlr BrennstoffzellenTechnik wurden komplexe Bipolarplatten


101

unter Variation von Verfahrensparametern spritzgegossen waumlhrend das Deutsche Kunststoff-

Institut den Schwerpunkt der Untersuchungen auf einfache Formteilgeometrien legte Die

Spritzgieszligversuche bildeten eine experimentelle Basis zur Uumlberpruumlfung und Verifizierung der im

Kapitel 73 vorgestellten Simulationsrechnungen

721 Flieszligspiralen

Die Flieszligfaumlhigkeit von Polymermassen beim Spritzgieszligen wird am DKI uumlblicherweise mit Hilfe

eines Flieszligspiralenwerkzeugs untersucht Mit seiner spiralfoumlrmigen Kavitaumlt ermoumlglicht dieses

Werkzeug das Spritzgieszligen von groszligen Flieszligweglaumlngen bei relativ kleinen Werkzeug-

abmessungen (Abb 713) Die maximal zu erzielende Flieszligweglaumlnge betraumlgt 172 cm wobei

10 cm auf den Stangenanguss des Formteils entfallen

Abb 713 Spritzgieszligwerkzeug Flieszligspirale

Durch die Zugabe von Fuumlllstoffen die eine groszlige spezifische Oberflaumlche aufweisen und

thermisch gut leiten wird die Spritzgieszligfaumlhigkeit von Polymerschmelzen stark beeintraumlchtigt

Dies kann eindrucksvoll anhand der in Abb 714 dargestellten Fuumlllstudien von Flieszligspiralen

veranschaulicht werden die auf Basis der Modell-Compounds hergestellt wurden Beim

Spritzgieszligen der ungefuumlllten Polypropylenmasse werden Flieszligweglaumlngen von annaumlhernd 160 cm

unter den in Abb 714 aufgefuumlhrten Verfahrensparametern erreicht Mit steigendem Graphit- und

Ruszliggehalt verkuumlrzt sich die Flieszligweglaumlnge dramatisch Das zur Herstellung von Bipolarplatten

eingesetzte Compound PP-GR825 friert bereits im Angusskanal des Spritzgieszligwerkzeugs ein


102

PP-GR205 PP

PP-GR605 PP-GR825 PP-GR405

Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G

Abb 714 Spritzgegossene Flieszligspiralen (Fuumlllstudien der Modell-Compounds)

150 MPa50 MPa 100 MPa

T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G

Abb 715 Spritzgegossene Flieszligspiralen (Fuumlllstudie PP-GR605)


103

In Abb 715 werden am Beispiel des Modell-Compounds PP-GR605 die Auswirkungen

unterschiedlicher Verarbeitungsparameter auf den Fuumlllstand der Flieszligspirale illustriert Einen

maszliggeblichen Einfluss auf die Flieszligweglaumlnge hat die Houmlhe der Spritzdruckbegrenzung Bei den

Spritzgieszligversuchen fuumlhrte ein Anheben des Drucklimits von 50 auf 150 MPa annaumlhernd zu einer

Verdopplung des resultierenden Flieszligweges Groumlszligere Flieszligweglaumlngen koumlnnen auch durch eine

Erhoumlhung der Werkzeug- und Schmelzetemperatur oder durch Heraufsetzen des Volumenstroms

erzielt werden Dabei zeigt der Vergleich der Fuumlllstudien in Abb 715 dass die hier gewaumlhlten

Parametervarianten nahezu identische Auswirkungen auf das Fuumlll- und Einfrierverhalten des

Compoundmaterials haben

Fuumlr die Spritzgieszligversuche mit dem Flieszligspiralenwerkzeug wurde die horizontale Einspritzeinheit

der Zweikomponenten-Spritzgieszligmaschine Kloumlckner Ferromatik Desma FX 75-2F eingesetzt

722 Einfache plattenfoumlrmige Formteile

Fuumlr die am DKI durchzufuumlhrenden Spritzgieszligversuche an einfachen plattenfoumlrmigen Formteilen

wurde das in Kapitel 711 vorgestellte 2-Platten-Werkzeug mit Sensorik verwendet (Abb 716)

Das Werkzeug wurde mit einem Formteileinsatz bestuumlckt der die Herstellung von 25 mm dicken

Platten ermoumlglicht was annaumlhernd der Wandstaumlrke von spritzgegossenen Bipolarplatten

entspricht Die Untersuchungen an plattenfoumlrmigen Formteilen wurden auf der Materialbasis der

hochgefuumlllten Modell-Compounds und des neu entwickelten Projektmaterials G180_M_R16

durchgefuumlhrt

Abb 716 Spritzgieszligwerkzeug Platte


104

Abb 717 zeigt beispielhafte Fuumlllstudien spritzgegossener Platten aus den beiden Bipolarplatten-

Compounds PP-GR825 und G180_M_R16 die bei unterschiedlichen Verfahrensparametern

hergestellt wurden Eine vollstaumlndige Fuumlllung konnte nur durch das Anheben der Parameter

Spritzdruckbegrenzung und Volumenstrom bei gleichzeitiger Erhoumlhung der Werkzeug- und

Schmelzetemperatur erreicht werden Bei den am DKI durchgefuumlhrten Versuchen wies das neue

Material G180_M_R16 etwas bessere Spritzgieszligeigenschaften auf als das PP-GR825

PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3

Abb 717 Spritzgegossene Platten (Fuumlllstudien)

723 Bipolarplatten

Zur Validierung der Spritzgieszligsimulationen und zur Ermittlung von Prozessfenstern wurden am

ZBT mit dem Spritzgieszligwerkzeug (Abb 718) in Standardkonfiguration Fuumlllstudien durchgefuumlhrt

und Bipolarplatten hergestellt Die Versuche orientierten sich an einer vom DKI erstellten

Versuchsmatrix Als Versuchsmaterialien wurden das PP-GR825 und das Material


105

G180_M_R16 herangezogen Die Massetemperaturen wurden auf 280 320 und 360degC

festgelegt wobei letztgenannte Temperatur nur beim PP-GR825 angefahren wurde da das

G180_M_R16 bereits bei 320degC sehr gute Fuumllleigenschaften aufwies und eine weitere

Erhoumlhung keine zusaumltzlichen Vorteile haumltte Es wurden 3 Einspritzgeschwindigkeiten langsam

mittel und schnell festgelegt Die hohe Einspritzgeschwindigkeit orientiert sich an der Herstellung

von Bipolarplatten Die langsame Geschwindigkeit wurde vom DKI vorgeschlagen weil eigene

Versuche und Simulationen mit dieser Geschwindigkeit erfolgten Die mittlere Geschwindigkeit

liegt zwischen beiden Werten und entspraumlche somit einer sinnvollen Geschwindigkeit pro Kavitaumlt

bei einem 2-Kavitaumltenwerkzeug Um leistungsaumlrmere Maschinen zu bdquosimulierenldquo wurde mit

Drucklimiter gearbeitet und zwar 1500 2250 und 3000 bar Sobald der Drucklimiter erreicht ist

wird von Geschwindigkeits- auf Druckregelung umgestellt und somit die Einspritzgeschwindig-

keit reduziert Bei den angegebenen Werten handelt es sich somit immer um Maximalwerte Bei

einer hohen vorgegebenen Einspritzgeschwindigkeit ist es deswegen wahrscheinlich dass diese

nicht erreicht wird und aufgrund der Traumlgheit der Regelungstechnik der Drucklimiter deutlich

uumlberschwingen kann Bei einer niedrig definierten Geschwindigkeit werden diese und das

Drucklimit eingehalten da die Maschine genuumlgend Zeit zum Regeln hat

Abb 718 Spritzgieszligwerkzeug Bipolarplatte


106

Von jedem Punkt in den beiden 3 x 3 x 3 Matrizen werden zwei Bipolarplatten hergestellt und

dokumentiert Zwischen jedem Schuss wird abhaumlngig von der Massetemperatur eine Pause

zwischen ein und zwei Minuten definiert um eine konstante Werkzeugtemperatur postulieren zu

koumlnnen Die Versuche werden auf der KM 500 mit manueller Entnahme durchgefuumlhrt da die zum

Teil kaum gefuumlllten Platten nicht robotisch entnommen werden koumlnnen

Abb 719 zeigt zwei unter identischen Bedingungen hergestellte Platten bei 280degC Masse-

temperatur aus den beiden Materialien Beim Material G180_M_R16 wird die vorgegebene

hohe Geschwindigkeit nicht erreicht und der Drucklimiter uumlberschwingt auf 2072 bar Die Platte

ist unvollstaumlndig gefuumlllt Unter identischen Bedingungen liegt die maximale Geschwindigkeit

beim PP-GR825 noch sehr viel niedriger und der Drucklimiter uumlberschwingt auf 2244 bar Die

Platte ist dabei nur ansatzweise gefuumlllt Dieses Ergebnis zeigt sehr eindrucksvoll die

anspruchsvolleren Verarbeitungsbedingungen des Materials PP-GR825

G180_M_R16 hohe Geschwindigkeit 1500 (2072) bar 280degC

PP-GR825 hohe Geschwindigkeit 1500 (2244) bar 280degC

(in Klammern sind die maximalen Ist-Werte dargestellt vor der Klammer die Sollwerte)

Abb 719 Spritzgegossene Bipolarplatten (Fuumlllstudien)

Abb 720 links zeigt eine Fuumlllstudie mit Material G180_M_R16 bei 320degC mit geringer

Einspritzgeschwindigkeit die auch eingehalten wird und bei hoch angesetztem Drucklimiter von

3000 bar welcher ebenfalls nur geringfuumlgig uumlberschwingt Die Platte ist trotz des hohen Drucks

unvollstaumlndig und nur einseitig gefuumlllt Ursaumlchlich ist die geringe Geschwindigkeit die dafuumlr

sorgt dass das Material vorzeitig einfrieren kann Im Vergleich dazu auf der rechten Seite bei

280degC und mittlerer Einspritzgeschwindigkeit eine sehr gut gefuumlllte Platte mit starken

Uumlberspritzungen Der Druck uumlberschwingt dabei auf 3378 bar Die Fuumlllstudien lassen somit schon

erwarten dass hohe Massetemperaturen Einspritzgeschwindigkeiten und Massedruumlcke zu

besseren Ergebnissen fuumlhren


107

G180_M_R16 niedrige Geschwindigkeit

3000 (3036) bar 320degC G180_M_R16 mittlere Geschwindigkeit

3000 (3378) bar 280degC


Im Rahmen der Fuumlllstudien wurden auch Prozessfenster ermittelt die zu vollstaumlndig gefuumlllten

Bipolarplatten fuumlhren Abb 721 zeigt links Material G180_M_R16 bei 280degC vollstaumlndig

gefuumlllt mit hoher Einspritzgeschwindigkeit und einem maximalem Druck von 2803 bar was

schon nahezu Standardmaschinenniveau entspricht Rechts bei angehobener Massetemperatur

und verringerter Einspritzgeschwindigkeit stellt sich ein Druck von nur 2623 bar ein womit das

Niveau von Standardspritzgieszligmaschinen erreicht werden konnte

G180_M_R16 hohe Geschwindigkeit


2250 (2623) bar 320degC


Bei deutlich reduzierter Einspritzgeschwindigkeit und gesteigertem maximalem Massedruck auf

3175 bar konnte die Form von kleinen Fehlstellen abgesehen noch vollstaumlndig gefuumlllt werden

(Abb 722) Auf der rechten Seite sind beim Material PP-GR825 eine mittlere Geschwindigkeit

und 3359 bar erforderlich um die Form vollstaumlndig zu fuumlllen


108

G180_M_R16 reduzierte mittlere

Geschwindigkeit 3000 (3175) bar 320degC PP-GR825 mittlere Geschwindigkeit

3000 (3359) bar 320degC


73 Spritzgieszligsimulation von Formteilen aus Polypropylen-Graphit-Compounds

FEM-Programme haben sich in den letzten Jahren zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel bei der

Auslegung von Bauteilen und der Simulation von Prozessablaumlufen entwickelt Durch den

systematischen Einsatz der Spritzgieszligsimulation koumlnnen Entwicklungszeiten und Kosten bei der

Herstellung neuer Formteile und der hierfuumlr notwendigen Werkzeuge deutlich reduziert werden

Die heutigen Programme ermoumlglichen es einzelne Phasen des Spritzgieszligprozesses wie

Einspritzen Nachdruumlcken und Kuumlhlen sowohl fuumlr ungefuumlllte als auch fuumlr gefuumlllte oder

faserverstaumlrkte Polymere mit hinreichender Genauigkeit zu berechnen Fuumlr die noch junge

Materialgruppe der hochgefuumlllten Graphit-Compounds gab es bislang jedoch noch keinerlei

Erfahrungen hinsichtlich der Belastbarkeit und Guumlte einer rechnergestuumltzten Prozess- und

Formteilauslegung mit kommerziellen Spritzgieszligsimulationsprogrammen Diese Luumlcke konnte

nun durch Forschungsarbeiten des Deutschen Kunststoff-Instituts geschlossen werden

Luumlckenlose und detaillierte Stoffdaten die die spezifischen Eigenschaften hochgefuumlllter Graphit-

Compounds moumlglichst praumlzise abbilden sind eine wesentliche Voraussetzung fuumlr realitaumltsnahe

Simulationsrechnungen Hierfuumlr mussten die in den vorangegangenen Kapiteln vorgestellten

thermischen und rheologischen Materialkennwerte der Modell-Compounds und des neu

entwickelten Compounds G180_M_R16 zunaumlchst an die in Simulationsprogrammen

implementierten Stoffwertmodelle angepasst werden Die hieraus resultierenden Materialkarten

die allen nachfolgenden Berechnungen zugrunde liegen sind im Anhang A1 aufgelistet Fuumlr die


109

im Rahmen des Forschungsprojekts durchzufuumlhrenden Simulationsrechnungen wurden dem DKI

die Programme Cadmould 3D-F (simcon kunststofftechnische Software GmbH) und Moldex3D

(SimpaTec Simulation amp Technology Consulting GmbH CoreTech System Co Ltd) kostenfrei

zur Verfuumlgung gestellt


Zur grundsaumltzlichen Uumlberpruumlfung und Verifizierung der Spritzgieszligsimulation hochgefuumlllter

Graphit-Compounds wurden zunaumlchst Berechnungen an einfachen Formteilgeometrien durch-

gefuumlhrt Experimentelle Grundlage der ersten Validierungsschleife bildeten die in Kapitel 721

vorgestellten Spritzgieszligversuche mit dem DKI-Flieszligspiralenwerkzeug Fuumlr die Simulations-

rechnungen mit den Programmen Cadmould 3D-F und Moldex3D mussten vorab

dreidimensionale Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs erstellt werden (Abb 723) Bei der

anschlieszligenden Vernetzung wurden die Empfehlungen der Programmhersteller hinsichtlich

Elementtyp Elementgroumlszlige und Verzerrungsgrad beruumlcksichtigt

Cadmould 3D-F Moldex3D Abb 723 3D-Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs Flieszligspirale


110

In Spritzgieszligsimulationsprogrammen wird der Waumlrmeuumlbergang an der Grenzflaumlche von Formteil

und Werkzeug mit Hilfe eines Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten (engl Heat Transfer Coefficient)

beschrieben der fuumlr die einzelnen Phasen des Spritzgieszligzyklus getrennt als konstante Groumlszlige

definiert werden kann Zu Beginn der Untersuchungen wurde der Einfluss dieses Koeffizienten

auf die berechnete Flieszligweglaumlnge der Spirale analysiert Dabei zeigte sich dass die Programme

Cadmould 3D-F und Moldex3D auf der Basis gleicher Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten und nahezu

identischer Materialdatensaumltze stark voneinander abweichende Flieszligweglaumlngen prognostizieren

(Abb 724) Moldex3D berechnet fuumlr ein ungefuumllltes Polypropylen Fuumlllstaumlnde die ungefaumlhr

30 - 40 unter den von Cadmould 3D-F vorhergesagten Werten liegen Aumlhnliches trifft fuumlr die

Simulation der Flieszligspiralen aus dem Modell-Compound PP-GR605 zu Lediglich fuumlr das

hochgefuumlllte Bipolarplatten-Compound PP-GR825 werden mit beiden Programmen annaumlhernd

gleiche Fuumlllstaumlnde simuliert

0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000

Waumlrmeuumlbergangskoeffizient α [W(m2 K)]

Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)

PP-GR605 (C) PP-GR605 (M)


max Flieszligweglaumlnge

TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D

Abb 724 Einfluss des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten auf die simulierte Flieszligweglaumlnge

Mit dem Programm Cadmould 3D-F kann die Formfuumlllung der Flieszligspirale auf der Grundlage der

in Kapitel 712 vorgestellten Experimentaldaten des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten realitaumltsnah

abgebildet werden Dies wird durch die Gegenuumlberstellung spritzgegossener und berechneter

Flieszligweglaumlngen in Abb 725 belegt Die Abweichung zwischen Experiment und Prognose betraumlgt

zumeist deutlich weniger als 10 Bei der Simulation mit Moldex3D muss der Waumlrmeuumlber-

gangskoeffizient auf ungefaumlhr 110 des Experimentalwertes reduziert werden um aumlhnlich gute

Resultate zu erzielen In Tab 71 sind die fuumlr die Simulation der Fuumlll- und Nachdruckphase zu

verwendenden Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten zusammengefasst Alle nachfolgenden Berech-

nungsergebnisse beruhen auf diesen Daten


111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200

PP PP-GR205 PP-GR405 PP-GR605 PP-GR825

Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_

R16 Abb 725 Flieszligweglaumlngen (Experiment ndash Simulation Cadmould 3D-F)

Material Waumlrmeuumlbergangskoeffizient [W(m2 K)]

Experiment Cadmould 3D-F Moldex3D

PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert

Tab 71 Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten (Fuumlll- und Nachdruckphase)

Mit Hilfe bdquoreduzierterldquo Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten kann mit Moldex3D eine gute

Uumlbereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erzielt werden wie die Vergleiche in

Abb 726 zeigen Hier werden am Beispiel des Modell-Compounds PP-GR605 Auswirkungen

unterschiedlicher Verarbeitungsparameter auf den Fuumlllstand der Flieszligspirale analysiert (siehe

Abb 715 Kapitel 721) Die Einfluumlsse einer erhoumlhten Spritzdruckbegrenzung und

Schmelzetemperatur werden von Moldex3D exakt abgebildet Auswirkungen des Volumenstroms

und insbesondere der Werkzeugtemperatur werden von der Simulation geringfuumlgig uumlberschaumltzt


112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa

Abb 726 Flieszligweglaumlngen (PP-GR605 Experiment ndash Simulation Moldex3D)


Im Anschluss an die erfolgreiche Berechnung der Flieszligspiralgeometrie erfolgte eine weitere

Validierungsschleife auf der Grundlage plattenfoumlrmiger Formteile Hierfuumlr wurden zunaumlchst

3D-Modelle des in den Kapiteln 711 und 722 vorgestellten DKI-Plattenwerkzeugs generiert

und anschlieszligend vernetzt (Abb 727)

Cadmould 3D-F Moldex3D Abb 727 3D-Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs Platte


113

Ergebnisse der Simulationsrechnungen an einfachen Platten sind den nachfolgenden Abbildungen

zu entnehmen Abb 728 und Abb 729 zeigen eine Gegenuumlberstellung von experimentell

ermittelten und berechneten Werkzeuginnendruumlcken am Beispiel des Modell-Compounds

PP-GR605 Die mit Cadmould 3D-F und Moldex3D vorhergesagten angussnahen und anguss-

fernen Druckverlaumlufe decken sich gut mit den realen Druckkurven

0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern

Simulation angussnah

Simulation angussfern

T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 728 Werkzeuginnendruumlcke (PP-GR605 Experiment ndash Simulation Cadmould3D-F)

0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa

Abb 729 Werkzeuginnendruumlcke (PP-GR605 Experiment ndash Simulation Moldex3D)

Eine Vergleichsstudie zur Formfuumlllung des Bipolarplatten-Compounds PP-GR825 ist Abb 730

zu entnehmen Sowohl im Experiment als auch in der Simulation friert die hochgefuumlllte Schmelze

am Uumlbergang des Verteilers in den Filmanschnitt der Platte ein Die bisherigen Untersuchungen


114

an einfachen Formteilgeometrien belegen somit die Guumlte der am DKI ermittelten Stoffdaten und

Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten

PP-GR825 Cadmould 3D-F Moldex3D

T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa

Abb 730 Fuumlllstudie der Platte (Experiment - Simulation)

733 Bipolarplatten

Nach Validierung der Simulationsergebnisse an einfachen Formteilen wurden die Berechnungen

auf die luftgekuumlhlte ZBT-Bipolarplatte ausgeweitet Die hierfuumlr erforderlichen Modelle des

Spritzgieszligwerkzeugs sind in Abb 731 dargestellt Mit dem Programm Cadmould 3D-F konnten

auch fuumlr die komplexe Bipolarplattengeometrie realitaumltsnahe Ergebnisse berechnet werden wie

die Vergleichsstudie in Abb 732 zeigt Die Simulation bildet das einseitige Voreilen der

Schmelze und das fruumlhzeitige Einfrieren praumlzise ab

Bei der Simulation der Bipolarplatte mit Moldex3D traten im Zusammenhang mit sehr hohen

Fuumllldruumlcken (gt180 MPa) Unstetigkeiten auf die zu unplausiblen Berechnungsergebnissen

fuumlhrten Die Probleme wurden mit den Firmen SimpaTec Simulation amp Technology Consulting

GmbH und CoreTech System Co Ltd diskutiert die derzeit an einer Loumlsung arbeiten


115

Cadmould 3D-F Moldex3D Abb 731 3D-Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs Bipolarplatte

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16

Abb 732 Fuumlllstudie der Bipolarplatte (Experiment - Simulation Cadmould 3D-F)


116

734 Werkzeugoptimierung

Zum Abschluss des Projekts wurde mit Hilfe der Simulation eine Optimierung des

Spritzgieszligwerkzeugs fuumlr die luftgekuumlhlte ZBT-Bipolarplatte durchgefuumlhrt Dabei wurde zunaumlchst

die Geometrie des Heiszligkanals modifiziert Das derzeitige Bipolarplatten-Werkzeug verfuumlgt uumlber

einen insgesamt 240 mm langen Heiszligkanal der zwei 90deg-Umlenkungen aufweist (Abb 733

links) Bei gerader Ausfuumlhrung des Heiszligkanals koumlnnte die Kanallaumlnge um uumlber 50 reduziert

werden Durch den Wegfall der Umlenkungen und die Kuumlrzung des Heiszligkanals ergeben sich

deutliche Vorteile hinsichtlich des Fuumllldruckbedarfs wie Berechnungen mit dem Programm

Cadmould 3D-F auf der Materialbasis des hochviskosen Bipolarplatten-Compounds

G180_M_R16 zeigen (Abb 734)

langer Heiszligkanal kurzer Heiszligkanal

Abb 733 Variation des Heiszligkanals


160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)

DruckverlustEnde Fuumlllphase

Abb 734 Simulierter Druckverlust (G180_M_R16 Cadmould 3D-F)


117

Fuumlr die modifizierte Heiszligkanalgeometrie wird hier im Vergleich zur derzeitigen Ausfuumlhrung ein

um 30 MPa oder 20 verringerter Druckbedarf bei der Fuumlllung der Bipolarplatten-Kavitaumlt

prognostiziert Dieser im Hinblick auf die erforderliche Maschinenleistung positive Aspekt wird

jedoch durch den Nachteil einer nun asymmetrischen Werkzeugbelastung geschmaumllert da die

Bipolarplatten-Kavitaumlt bei geradem Angusskanal aus der Mitte der Formplatte ruumlckt Bei der

Optimierung des Spritzgieszligwerkzeugs sollte daher der Fokus eher auf eine Modifizierung der

Werkzeugtemperierung gelegt werden

Derzeitig ist das Bipolarplatten-Werkzeug des ZBT mit einer konventionellen isothermen

Oumlltemperierung ausgestattet Eine Aumlnderung dieses statischen Temperiersystems hin zu

dynamischen bzw variothermen Temperiermethoden waumlre insbesondere fuumlr die Verarbeitung

hochviskoser und thermisch gut leitender Compounds von Vorteil Bei der variothermen

Werkzeugtemperierung wird die Kavitaumlt voruumlbergehend auf eine Temperatur nahe der

Glasuumlbergangs- bzw Kristallitschmelztemperatur aufgeheizt Diese Erhoumlhung der Werkzeug-

wandtemperatur verzoumlgert oder unterbindet die Erstarrung der Schmelze und senkt den Bedarf an

Einspritzdruck und damit auch an Schlieszligkraft Erst nach der vollstaumlndigen Fuumlllung der Kavitaumlt

setzt die Werkzeugkuumlhlung ein bis das Formteil die Entformungstemperatur erreicht hat

Spritzgieszligwerkzeuge fuumlr die variotherme Temperierung verfuumlgen zur Kuumlhlung immer uumlber eine

klassische Fluumlssigkeitstemperierung Zum Aufheizen der Kavitaumlt wurden in den vergangenen

Jahrzehnten verschiedenste Methoden entwickelt wie zB widerstandselektrische induktive oder

Infrarot-Heizungen

Durch eine Anhebung der Werkzeugtemperatur von 80 auf 160degC vor dem Beginn der Ein-

spritzphase koumlnnte der Fuumllldruckbedarf bei der Verarbeitung des Compounds G180_M_R16

nahezu halbiert werden wie die Simulationsergebnisse in Abb 735 anschaulich zeigen

0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa

Abb 735 Simulierter Fuumllldruckbedarf (G180_M_R16 Cadmould 3D-F)

8 Vergleich des Forschungsziels mit den Ergebnissen

118


Uumlbergeordnetes Ziel des Projektes war es innovativen kmUs den Zugang zur wirtschaftlichen

Entwicklung Konstruktion und Herstellung von spritzgegossenen Bipolarplatten aus hoch-

gefuumlllten Graphit-Compounds zu ermoumlglichen Im Gesamtprozess bdquoEntwicklung rarr Konstruktion

rarr Herstellungldquo ist ein grundlegendes Verstaumlndnis der Zusammenhaumlnge zwischen Fuumlllstoff

Matrix und Verarbeitung in Bezug auf die rheologischen und thermischen Eigenschaften hoch-

gefuumlllter Graphit-Compounds zwingend notwendig Mit der Schaffung dieses Wissens fuumlr

hochgefuumlllte Graphit-Compounds kann die Auslegung von Formteilen und Werkzeugen sowie die

Optimierung der Verfahrensparameter durch eine Prozesssimulation ermoumlglicht werden

Als werkstoffseitige Projektziele wurden die Weiterentwicklung hochgefuumlllter Graphit-

Compounds mit Polypropylenmatrix sowie die rheologische Charakterisierung dieser Materialien

unter moumlglichst verarbeitungsnahen Bedingungen durch ein neues Premonitoring-System

angestrebt Die zu entwickelnde Rheologieduumlse fuumlr die Spritzgieszligmaschine sollte es ermoumlglichen

direkt an der Verarbeitungsmaschine rheologische Kennwerte zu ermitteln Hierdurch sollte der

im Verbund Fuumlllstoff Matrix und Verarbeitung bisher nicht zugaumlngliche Verarbeitungseinfluss

auf die o g Wirkzusammenhaumlnge bestimmt verstanden und gezielt beeinflusst werden

Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsvorhabens konnten diese werkstoffseitigen Ziele

vollstaumlndig erreicht werden Innerhalb der umfangreichen systematischen Materialentwicklung

wurde eine umfassende Charakterisierung und Weiterentwicklung graphitgefuumlllter Compounds

auf Polypropylenbasis durchgefuumlhrt und eine optimierte Compound-Rezeptur fuumlr Bipolarplatten

erarbeitet Wie in Kapitel 4 beschrieben konnte der Einfluss unterschiedlicher Graphitgehalte


thermischen und elektrischen Materialeigenschaften analysiert und bewertet werden Es wurde

dadurch ein breiteres Verstaumlndnis der Zusammenhaumlnge zwischen Fuumlllstoffen und Matrix

generiert

Zur Charakterisierung hochgefuumlllter Compoundmaterialien unter moumlglichst verarbeitungsnahen

Bedingungen wurde eine Rheologiemessduumlse fuumlr den Einsatz an der Spritzgieszligmaschine

ausgelegt konstruiert und beschafft Es wurden umfangreiche Kalibrierungen durchgefuumlhrt und

eine Messwerterfassung als LabVIEW-Programm entwickelt und programmiert welche eine

automatische oder manuelle Messung der rheologischen Materialeigenschaften ermoumlglicht In

zahlreichen praktischen Versuchen konnten fuumlr die hergestellten Compounds Viskositaumltskurven

online ermittelt und mit den offline Messungen am Kapillarrheometer des DKI abgeglichen

werden Positiv hervorzuheben ist hierbei die sehr gute Reproduzierbarkeit des neuen

Messverfahrens Daruumlber hinaus konnte ein sehr groszliger Schergeschwindigkeitsumfang untersucht


119

werden Letztlich konnte mit der Rheologiemessduumlse ein Verfahren aufgebaut werden mit dem

sich in einem groszligen Temperatur- und Schergeschwindigkeitsbereich reproduzierbare

Rheologiekurven unter verarbeitungsnahen Bedingungen ermitteln lassen

Das verfahrenstechnische Projektziel beinhaltet eine moumlglichst praumlzise und aussagekraumlftige

Berechnung und Auslegung graphitgefuumlllter Formteile und Spritzgieszligwerkzeuge mit Hilfe der

Spritzgieszligsimulation Hierfuumlr wurden im Rahmen des Projekts Materialmodelle entwickelt die

grundlegende Zusammenhaumlnge zwischen Matrix- bzw Fuumlllstoffanteil und den fuumlr die

Simulationsrechnung relevanten Materialeigenschaften graphitgefuumlllter Polypropylene

beschreiben Das erzielte Ergebnis geht damit noch uumlber das Antragsziel hinaus Fuumlr die mit




spezifischen Oberflaumlchen zuruumlckfuumlhren lassen Dadurch koumlnnen zB Viskositaumlts- und pvT-Daten

ohne weitere Messung mit guter Genauigkeit aus einfachen Modellen ermittelt werden



sowohl material- als auch prozessseitige Einflussfaktoren untersucht Erstmals konnten praumlzise

Daten zum Waumlrmeuumlbergang zwischen Formteil und Werkzeugwand in Abhaumlngigkeit vom

wirksamen Nachdruck ermittelt werden Hierbei wurden nicht nur hochgraphitgefuumlllte

Compounds sondern auch geringere Fuumlllgrade und das ungefuumlllte Matrixmaterial untersucht Die

Ergebnisse gehen damit in ihrer Bedeutung weit uumlber den Anwendungsbereich der

houmlchstgefuumlllten Formmassen hinaus Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ebenfalls eine

Webapplikation zur Berechnung des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten entwickelt Auf das

Programm kann uumlber das Internet zugegriffen werden



Simulationen konnten klare Aussagen zur weiteren Entwicklung und Optimierung von

Compoundmaterial Werkzeug und Spritzgieszligprozess fuumlr hochgraphitgefuumlllte Bipolarplatten

aufgezeigt werden

9 Wirtschaftliche Bedeutung fuumlr kleinere und mittlere Unternehmen

120


Die zur Spritzgieszligsimulation entwickelten Materialmodelle zB fuumlr die Viskositaumlts- pvT- und

kalorimetrischen Compoundeigenschaften erlauben es Werkzeugauslegungen durchzufuumlhren

ohne fuumlr jedes einzelne Compound Materialdaten ermitteln zu muumlssen Dh mittelstaumlndische

Simulationsdienstleister und Werkzeugbauer koumlnnen direkt mit den zur Verfuumlgung gestellten

Modellen konkrete Werkzeugauslegungen vornehmen und sind dabei nicht auf die jeweils

untersuchten Materialien beschraumlnkt Vielmehr kann durch die praumlzise Zuruumlckfuumlhrung der

Compoundeigenschaften auf die Eigenschaften der Rezepturkomponenten mit wenigen

Messungen ein breites Materialspektrum abgedeckt werden Eine Uumlbertragbarkeit des gewaumlhlten

Ansatzes fuumlr andere Fuumlllstoffsysteme ist zu erwarten und boumlte damit noch weiter reichende

Moumlglichkeiten der Spritzgieszligsimulation von gefuumlllten Compounds

Daruumlber hinaus bietet das neu entwickelte Rheologie-Messverfahren fuumlr hochgefuumlllte

Polymercompounds Potenzial zur Anwendung in der Industrie Durch bereits getaumltigte und

geplante Veroumlffentlichungen bleibt abzuwarten ob Unternehmen das Verfahren annehmen um es

in ihren Bereichen umzusetzen Die Eignung zur betriebsnahen Untersuchung von gefuumlllten

Compoundmaterialien sollte neben den graphitgefuumlllten Materialien auch fuumlr andere Polymer-

Fuumlllstoffsysteme uumlbertragbar sein sodass sich ein breites Anwenderspektrum ergibt Die

Moumlglichkeit Materialcharakteristika unter realen Betriebsbedingungen zu testen ermoumlglicht

beispielsweise die Ermittlung einer genaueren Datengrundlage fuumlr Simulationsrechnungen

Gerade im Bereich der Auslegung von Spritzgieszlig- oder Extrusionswerkzeugen koumlnnen dadurch

voraussichtlich Kostenersparnisse generiert werden Der groszlige Messbereich ermoumlglicht die

Untersuchung einer hohen Variantenvielfalt von Materialien die fuumlr industrielle aber auch fuumlr

Forschungszwecke von Bedeutung sein koumlnnten So koumlnnten beispielsweise in fruumlhen Phasen der

Produktentwicklung bei noch nicht sicherem endguumlltigem Produktdesign genaue Messdaten

ermittelt werden die eine optimierte Auslegung der Werkzeuge ermoumlglichen

Das in dem Projekt erarbeitete materialseitige Know-how ist gerade fuumlr die Hersteller

(Compoundeure) von gefuumlllten Polymerwerkstoffen interessant und nicht nur auf den speziellen

Bereich der houmlchstgefuumlllten kohlenstoffhaltigen Compounds fuumlr Brennstoffzellen-Anwendungen

beschraumlnkt

10 Veroumlffentlichungen

121


Am 30 April 2009 fand am DKI ein Projekttag zum Thema Hochgraphitgefuumlllte Materialien

statt der in Zusammenarbeit mit dem Zentrum fuumlr BrennstoffzellenTechnik durchgefuumlhrt wurde

Im Rahmen dieser Veranstaltung wurden die Inhalte des Forschungsprojekts und erste Ergebnisse

einem breiten Publikum aus Forschung und Industrie vorgestellt Im Anschluss an eine Vortrags-

reihe fand auch ein erstes Treffen des projektbegleitenden Ausschusses statt an dem Rohstoff-

lieferanten industrielle Anwender Anbieter von Simulationsprogrammen sowie Vertreter

mehrerer Forschungseinrichtungen teilnahmen In den Diskussionsrunden wurden das Potential

und die zukuumlnftige wirtschaftliche Bedeutung des Themas hervorgehoben

Auszligerhalb des projektbegleitenden Ausschusses erfolgte eine gezielte Ansprache von Unter-

nehmen und Forschungseinrichtungen im Verlauf des gesamten Projektjahres Beispielhaft sei

hier der u a vom DKI am 01122009 in Darmstadt veranstalteten Workshop Innovative

Kunststoffe in der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik erwaumlhnt Auf diesem wurde vom

ZBT ein Vortrag zur Verarbeitung hochgefuumlllter und hochviskoser Compoundmaterialien auf

Spritzgieszligmaschinen gehalten

Am 09122009 praumlsentierte das ZBT auf dem 4th Future and Innovation Trend Day 2009 im

Zentrum Zukunft in Emstek das Thema Kunststoffe in direkter Zellumgebung Der Innovation

Day wurde von einem groszligen deutschen Unternehmen organisiert und zahlreiche namhafte

industrielle Anwender sowie weitere FampE-Einrichtungen rund um das Thema Kunststoffe in

Brennstoffzellen waren vertreten

Am 29 und 30 April 2010 fand in Frankenberg das 12 EWIKON Heiszligkanalforum statt In

einem Vortrag des DKI zur Werkzeugauslegung wurden den ca 100 anwesenden Teilnehmern

die groumlszligtenteils mittelstaumlndischen Werkzeugbauunternehmen angehoumlrten die Moumlglichkeiten der

Spritzgieszligsimulation hochgefuumlllter Formmassen anhand der erzielten Projektergebnisse

dargestellt

Auf dem 3 Workshop AiF-Brennstoffzellenallianz der am 4 und 5 Mai 2010 am Zentrum fuumlr

BrennstoffzellenTechnik stattfand wurden aktuelle Ergebnisse des Forschungsvorhabens mittels

eines Posterbeitrags veroumlffentlicht

Im Oktober 2010 wurde auf der weltgroumlszligten Kunststoffmesse K 2010 in Duumlsseldorf am Stand des

DKI uumlber die Projektergebnisse informiert Dabei wurden auch Flyer zu dem Projekt und den

Ergebnissen an interessierte Messebesucher ausgegeben


122

Am 8 Februar 2011 wurden im Rahmen des am DKI durchgefuumlhrten 27 Arbeitskreises

Kunststoffe in der Pfalz die im Projekt entwickelten Moumlglichkeiten der Spritzgieszligsimulation

hochgraphitgefuumlllter Formmassen in einem Vortrag vorgestellt

Am 15 Februar 2011 wurden die Projektergebnisse zur Spritzgieszligsimulation von hochgefuumlllten

Formmassen an der TU-Darmstadt im Rahmen des Seminars Kunststofftechnik praumlsentiert

Ein zweiter vom DKI und ZBT organisierter Projekttag Hochtemperatur PEM-Brennstoffzellen

Herausforderungen an Material und Prozesstechnik fand am 17 Februar 2011 am ZBT in

Duisburg statt Dabei wurden in einer Vortragsreihe die Anforderungen und Loumlsungswege bei der

Verarbeitung von hochgefuumlllten Polymercompounds aus industrieller sowie wissenschaftlicher

Sicht betrachtet Im Anschluss fand ein Treffen des projektbegleitenden Ausschusses statt bei

dem die durchgefuumlhrten Arbeiten und Ergebnisse des Forschungsprojekts einem breiten Publikum

aus Forschung und Industrie vorgestellt wurden

Am 3 und 4 Mai 2011 fand am ZBT der 4 Workshop AiF-Brennstoffzellenallianz statt Es

wurden dabei die Ergebnisse des Projekts in einem Posterbeitrag veroumlffentlicht

Ein weiterer direkter Transfer erfolgte uumlber das Kuratorium der Forschungsgesellschaft

Kunststoffe e V den Beirat des VEU und uumlber Lehrveranstaltungen

A Anhang

123

A Anhang

A1 Materialdaten fuumlr die Spritzgieszligsimulation

A11 Cadmould 3D-F

A111 Viskositaumltsmodell (CARREAU-WLF-Ansatz)

( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)

A112 pvT-Modell (SCHMIDT-Ansatz)

TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)

pPPT TTt 21 += (A 5)

A Anhang

124

A113 Cadmould 3D-F - Materialkarten

Stoffwert Koeffizient Einheit PP PP-GR205 PP-GR405 PP-GR605 PP-GR825 G180_M_

R16

Viskositaumlt P1 [Pa s] 43400 48743 88850 281228 10660710 5704374

P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356

pvT-Daten P1 (Melt) [bar cm3g] 3725313E+04 4006567E+04 3007688E+04 2992560E+04 2457354E+04 3692482E+04

P2 (Melt) [bar cm3(g K)] 1208079E+00 9465214E-01 8238418E-01 6062837E-01 4245313E-01 2933670E-01

P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04

P1 (Solid) [bar cm3g] 3588574E+04 3352429E+04 3177397E+04 2969788E+04 2886098E+04 2956465E+04

P2 (Solid) [bar cm3(g K)] 1009762E+00 8805907E-01 7120927E-01 4314703E-01 2478253E-01 2123888E-01

P3 (Solid) [bar] 2705166E+03 3039039E+03 3565749E+03 2817748E+03 4039810E+03 2891815E+03


P5 (Solid) [cm3g] 1542422E-09 4745162E-10 1727767E-10 3961672E-10 3682590E-07 3878516E-08

P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02

P7 (Solid) [1bar] 3489354E-03 3622734E-03 3795160E-03 3450416E-03 2157677E-03 2443632E-03

P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192

P2 (Trans) [degCbar] 2410000E-02 2520000E-02 2630000E-02 2550000E-02 2520000E-02 2410000E-02

sp Waumlrme- kapazitaumlt

Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900

Waumlrme- leitfaumlhigkeit

Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D

A121 Viskositaumltsmodell (CROSS-WLF-Ansatz)

( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)

pDDT 32 +=lowast (A 8)

pDA~

A 322 += (A 9)

A122 pvT-Modell (Modified TAIT-Ansatz)

tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126

A123 Moldex3D - Materialkarten


R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012

pvT-Daten b1m [m3kg] 127676E-03 111634E-03 950662E-04 792347E-04 605921E-04 616656E-04

b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127

A2 Abkuumlrzungen und Formelzeichen

Abkuumlrzungen

ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol

BHT Butylhydroxytoluol

CQC Continuous Quality Control (kontinuierliche Qualitaumltskontrolle)

CSV Character Separated Values (Dateiformat zum Austausch einfach strukturierter Daten)

DKI Deutsches Kunststoff-Institut

FEM Finite-Elemente-Methode

Gew- Gewichtsprozent

GDL Gas Diffusion Layer (Gasdiffusionsschicht)

GPC Gel-Permeations-Chromatographie

IR Infrarot

kmU kleine und mittlere Unternehmen

MEA Membrane Electrode Assembly (Membran-Elektroden-Einheit)

NECAR New Electric Car (neues elektrisches Fahrzeug)

NT Niedertemperatur

PEM Polymerelektrolytmembran

PP Polypropylen

REM Rasterelektronenmikroskop

TGA thermogravimetrische Analyse

USV unterbrechungsfreie Stromversorgung

VEU Verein zur Foumlrderung der Energie- und Umwelttechnik eV

Vol- Volumenprozent

ZBT Zentrum fuumlr BrennstoffzellenTechnik

Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128

Deutsche Formelzeichen

A Flaumlche

a Temperaturleitfaumlhigkeit

B Verschiebungsfaktor

C Kalibrierkonstante

C Waumlrmekapazitaumlt

cp spezifische Waumlrmekapazitaumlt (bei konstantem Druck)

cs Schallgeschwindigkeit

D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft

Ftan Tangentialkraft

H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge

M molare Masse (Molmassenverteilung)

m Masse

n Anzahl

p Druck

pG Spritzdruckbegrenzung

∆p wahrer Druckverlust

∆pE Einlaufdruckverlust

∆pgem gemessene Druckdifferenz

Q Waumlrmemenge

RD Durchgangswiderstand

Rges Gesamtwiderstand

RK Kontaktuumlbergangswiderstand

RΩ Innenwiderstand

S innere Oberflaumlche

Sm massenbezogene spezifische Oberflaumlche

SV volumenbezogene spezifische Oberflaumlche

s Flieszligweglaumlnge

s Thermoelementabstand

T Temperatur

TFO Oberflaumlchentemperatur des Formteils

A Anhang

129

TS Schmelzetemperatur

TW Werkzeugtemperatur

TWO Oberflaumlchentemperatur des Werkzeugs

t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom

Griechische Formelzeichen

α Waumlrmeuumlbergangskoeffizient

β Heizrate

γ Scherrate

γkorr korrigierte Scherrate

γW Wandscherrate

η Viskositaumlt

ηrel relative Viskositaumlt

λ Waumlrmeleitfaumlhigkeit

λW Waumlrmeleitfaumlhigkeit des Werkzeugstahls

ν spezifisches Volumen

ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung

τW Wandschubspannung

Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen

Abb 11 Wiederholkomponenten der Brennstoffzelle (ZBT) 1

Abb 12 Fertigungsprobleme beim Spritzgieszligen von Bipolarplatten 3

Abb 21 Funktionsprinzip einer Membranbrennstoffzelle [HEI06] 5

Abb 22 PEM-Brennstoffzelle (ZBT) 6

Abb 41 Verwendete Graphitsorten 16

Abb 42 Anordnung der Schnecken des Ringextruders 18

Abb 43 Produktion von hochgefuumllltem Compound am Ringextruder 18

Abb 44 Doppel-Kapillarrheometer (Messprinzip) 20

Abb 45 Ermittlung der korrigierten Scherraten an Kapillaren nach RABINOWITSCH 21

Abb 46 Flash-Apparatur (Messprinzip) 22

Abb 47 Kolbenspritzgieszligmaschine (rechts geoumlffnetes Werkzeug mit Formteil) 23

Abb 48 Messapparatur mit eingelegtem Probekoumlrper (rechts schematischer Messaufbau) 24

Abb 49 Apparatur fuumlr 3-Punkt-Biegeversuch (rechts Spannungs-Dehnungs-Kurven) 25

Abb 410 Compoundierparameter der Compounds mit schieferfoumlrmigem Graphit (3 Fuumlllgrade) 26

Abb 411 Dichten der binaumlren Compounds 27

Abb 412 Viskositaumlten der binaumlren Compounds (Fuumlllgrad 75 Gew-) 28



Abb 415 Probengeometrie und Messrichtung (Flash-Apparatur) 29

Abb 416 Richtungsabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeiten verschiedener Graphittypen 30

Abb 417 Bruchflaumlche einer spritzgegossenen Platte 31

Abb 418 Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der binaumlren Compounds 32



Abb 421 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der binaumlren Compounds (unbehandelt) 34

B Verzeichnisse

131

Abb 422 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der binaumlren Compounds (geschliffen) 34

Abb 423 Mechanische Materialkennwerte der binaumlren Compounds 35


Abb 425 Dichten der binaumlren Compounds mit unterschiedlichen Graphitpartikelgroumlszligen 38

Abb 426 Viskositaumlten der binaumlren Compounds 39



Abb 429 Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der binaumlren Compounds mit differenten Graphitpartikelgroumlszligen 40



Abb 432 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der binaumlren Compounds 42



Abb 435 Drehmoment 46

Abb 436 Schmelzetemperatur 46

Abb 437 Schmelzedruck 47

Abb 438 Spezifischer Energieeintrag 47

Abb 439 Dichten der ternaumlren Compounds 48

Abb 440 Viskositaumlten der ternaumlren Compounds 49

Abb 441 Waumlrmeleitfaumlhigkeiten der ternaumlren Compounds 49



Abb 444 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der ternaumlren Compounds (unbehandelt) 51

Abb 445 Flaumlchenspezifische Durchgangswiderstaumlnde der ternaumlren Compounds (geschliffen) 51

Abb 446 Compoundierparameter waumlhrend der Produktion des finalen Compounds 53

Abb 51 Modell der Rheologiemessduumlse und austauschbarer Duumlseneinlauf 55

Abb 52 Einsatzbereite Rheologiemessduumlse mit allen Sensoren und Heizband 57

Abb 53 Messwertaufzeichnung und Visualisierung mit LabVIEW 57

B Verzeichnisse

132

Abb 54 Messwerte des IR-Thermometers vor der Kalibrierung 59

Abb 55 Messwerte des IR-Thermometers nach der Kalibrierung 59

Abb 56 Ausschnitt Messprotokoll 61

Abb 57 Vergleich Rheologie G180_M_R16 DKI amp ZBT mit 1 amp 2 mm Duumlse bei 250degC 62

Abb 58 Uumlberpruumlfung der Druckabhaumlngigkeit der Viskositaumlt 63

Abb 59 Vergleich Rheologiekurven PP-GR825 DKI amp ZBT mit 1 amp 2 mm Duumlse bei 250degC 64


Abb 511 Vergleich Rheologiekurven PP-GR825 DKI amp ZBT mit 1 mm Duumlse bei 250 - 360degC65

Abb 512 Molmassenverteilung 66

Abb 61 Herstellung der Modell-Compounds am DKI 68

Abb 62 Scherratenabhaumlngige Viskositaumlt (PP ndash PP-GR605) 69

Abb 63 Temperaturabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Modell-Compounds 70

Abb 64 Heizdraht-Methode (Messprinzip) 71

Abb 65 Messprinzip der Differentialkalorimetrie 74

Abb 66 Temperaturabhaumlngige spezifische Waumlrmekapazitaumlt der Modell-Compounds 75

Abb 67 PvT-Anlage (links) mit schematischer Darstellung des Messprinzips (rechts) 76

Abb 68 Druck- und temperaturabhaumlngiges spezifisches Volumen (PP ndash PP-GR605) 77

Abb 69 Grundbegriffe der Rheologie fuumlr Scherbelastung der Schmelze 78

Abb 610 Einfluss starrer Koumlrper auf das Geschwindigkeitsprofil zwischen zwei ebenen Platten79

Abb 611 Scherratenabhaumlngige Viskositaumlt (PP-GR605 Messung - CARREAU-WLF-Modell) 80

Abb 612 Scherratenabhaumlngige Schubspannung (250degC) 81

Abb 613 Verschiebungsfaktoren in Abhaumlngigkeit vom Fuumlllstoffgehalt der Modell-Compounds 81

Abb 614 Relative Viskositaumlt in Abhaumlngigkeit vom Fuumlllstoffgehalt der Modell-Compounds 82

Abb 615 Einfluss des Fuumlllstoffgehalts auf die Viskositaumlt (220degC Messung ndash DKI-Modell) 84


Abb 617 Einfluss des Graphittyps auf die Viskositaumlt (250degC Messung ndash DKI-Modell) 85

Abb 618 Einfluss des Ruszliggehalts auf die Viskositaumlt (250degC Messung ndash DKI-Modell) 85

Abb 619 Waumlrmeleitfaumlhigkeit (25degC Messung ndash DKI-Modell) 87

B Verzeichnisse

133

Abb 620 Temperaturabhaumlngige Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Messung ndash DKI-Modell) 88

Abb 621 Temperaturabhaumlngige spezifische Waumlrmekapazitaumlt (Messung - Modell) 89

Abb 622 Spezifisches Volumen (01 MPa Messung - Modell) 90


Abb 71 Spritzgieszligwerkzeug mit Waumlrmestromeinsatz 93

Abb 72 Waumlrmestromeinsatz mit Sensorik 93

Abb 73 Einsatz zur Messung der Schmelzetemperatur 94

Abb 74 Spritzgegossene Platten (links Fuumlllstudie PP-GR605 rechts PP-GR825) 95

Abb 75 IR-Temperaturmessung (PP schwarz) 95

Abb 76 Gemessene Temperaturverlaumlufe im Formteil und Werkzeug (PP) 96

Abb 77 Gemessene Temperaturverlaumlufe im Formteil und Werkzeug (PP-GR605) 96

Abb 78 Temperaturverlaumlufe und Waumlrmeuumlbergangskoeffizient (PP-GR605) 97

Abb 79 Gemessene Druckverlaumlufe (Modell-Compounds) 98

Abb 710 Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten (Modell-Compounds) 99

Abb 711 Korrelation Waumlrmeuumlbergangskoeff - Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Modell-Compounds) 99

Abb 712 Webapplikation 100

Abb 713 Spritzgieszligwerkzeug Flieszligspirale 101

Abb 714 Spritzgegossene Flieszligspiralen (Fuumlllstudien der Modell-Compounds) 102

Abb 715 Spritzgegossene Flieszligspiralen (Fuumlllstudie PP-GR605) 102

Abb 716 Spritzgieszligwerkzeug Platte 103

Abb 717 Spritzgegossene Platten (Fuumlllstudien) 104

Abb 718 Spritzgieszligwerkzeug Bipolarplatte 105

Abb 719 Spritzgegossene Bipolarplatten (Fuumlllstudien) 106




Abb 723 3D-Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs Flieszligspirale 109

Abb 724 Einfluss des Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten auf die simulierte Flieszligweglaumlnge 110

B Verzeichnisse

134

Abb 725 Flieszligweglaumlngen (Experiment ndash Simulation Cadmould 3D-F) 111

Abb 726 Flieszligweglaumlngen (PP-GR605 Experiment ndash Simulation Moldex3D) 112

Abb 727 3D-Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs Platte 112

Abb 728 Werkzeuginnendruumlcke (PP-GR605 Experiment ndash Simulation Cadmould3D-F) 113

Abb 729 Werkzeuginnendruumlcke (PP-GR605 Experiment ndash Simulation Moldex3D) 113

Abb 730 Fuumlllstudie der Platte (Experiment - Simulation) 114

Abb 731 3D-Modelle des Spritzgieszligwerkzeugs Bipolarplatte 115

Abb 732 Fuumlllstudie der Bipolarplatte (Experiment - Simulation Cadmould 3D-F) 115

Abb 733 Variation des Heiszligkanals 116

Abb 734 Simulierter Druckverlust (G180_M_R16 Cadmould 3D-F) 116

Abb 735 Simulierter Fuumllldruckbedarf (G180_M_R16 Cadmould 3D-F) 117

B2 Tabellenverzeichnis

B Verzeichnisse

135

Tab 21 Vor- und Nachteile verschiedener Bipolarplatten-Materialien [NIM06] 11

Tab 41 Uumlbersicht der verwendeten Graphitsorten 16

Tab 42 Durchsaumltze am Ringextruder (stabiler Produktionsprozess) 26

Tab 43 Bewertungsmatrix Materialentwicklung Stufe 1 36

Tab 44 Uumlbersicht der verwendeten Graphitpartikelgroumlszligen 37

Tab 45 Durchsaumltze am Doppelschneckenextruder (stabiler Produktionsprozess) 38


Tab 47 Uumlbersicht der verwendeten Ruszligsorten 45


Tab 61 Graphit- und Ruszliggehalte der Modell-Compounds 69

Tab 62 Spezifische Oberflaumlchen der verwendeten Graphit- und Ruszligtypen 83

Tab 71 Waumlrmeuumlbergangskoeffizienten (Fuumlll- und Nachdruckphase) 111

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Zusammenfassung

Ziel des Projektes war es innovativen kmU den Zugang zur wirtschaftlichen Entwicklung

Konstruktion und Herstellung von spritzgegossenen Bipolarplatten aus hochgefuumlllten Graphit-

Compounds zu ermoumlglichen Dazu sollte ein grundlegendes Verstaumlndnis der Zusammenhaumlnge

zwischen Fuumlllstoff Matrix und Verarbeitung in Bezug auf die rheologischen und thermischen

Eigenschaften hochgefuumlllter Graphit-Compounds erreicht werden Damit wird die Auslegung von

Formteilen und Werkzeugen sowie die Optimierung der Verfahrensparameter durch eine

Prozesssimulation ermoumlglicht

Werkstoffseitig wurden die Weiterentwicklung hochgefuumlllter Graphit-Compounds mit

Polypropylenmatrix sowie die rheologische Charakterisierung dieser Materialien unter

verarbeitungsnahen Bedingungen erreicht Innerhalb der umfangreichen systematischen Material-

entwicklung wurde eine umfassende Charakterisierung und Weiterentwicklung graphitgefuumlllter

Compounds auf Polypropylenbasis durchgefuumlhrt und eine optimierte Compound-Rezeptur fuumlr

Bipolarplatten erarbeitet Dabei konnte der Einfluss unterschiedlicher Graphitgehalte


thermischen und elektrischen Materialeigenschaften analysiert und bewertet werden

Mit der entwickelten Rheologieduumlse fuumlr die Spritzgieszligmaschine konnten direkt an der

Verarbeitungsmaschine rheologische Kennwerte ermittelt und der im Verbund Fuumlllstoff Matrix

und Verarbeitung bisher nicht zugaumlngliche Verarbeitungseinfluss auf die o g Wirkzusammen-

haumlnge bestimmt verstanden und gezielt beeinflusst werden Letztlich konnte mit der

Rheologiemessduumlse ein Verfahren aufgebaut werden mit dem sich in einem groszligen Temperatur-

und Schergeschwindigkeitsbereich reproduzierbare Rheologiekurven unter verarbeitungsnahen

Bedingungen ermitteln lassen

Verfahrensseitig konnte eine praumlzise und aussagekraumlftige Berechnung und Auslegung

graphitgefuumlllter Formteile mit Hilfe der Spritzgieszligsimulation erzielt werden Fuumlr die mit




spezifische Oberflaumlchen zuruumlckfuumlhren Dadurch koumlnnen zB Viskositaumlts- und pvT-Daten

hochgefuumlllter Compoundvarianten ohne direkte Messung an diesen Varianten mit guter

Genauigkeit aus einfachen Modellen ermittelt werden Das erzielte Ergebnis geht damit noch uumlber

das Antragsziel hinaus













umgesetzt werden


Inhalt


11 Einfuumlhrung 1






3 Forschungsziel 14

































Einfluumlsse 58





























A Anhang 123



A12 Moldex3D 125


B Verzeichnisse 130

B1 Abbildungen 130




1


11 Einfuumlhrung










Bipolarplatte









2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

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[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

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tur

[degC

] D

urc

hs

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[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC

















umgesetzt werden


Inhalt


11 Einfuumlhrung 1






3 Forschungsziel 14

































Einfluumlsse 58





























A Anhang 123



A12 Moldex3D 125


B Verzeichnisse 130

B1 Abbildungen 130




1


11 Einfuumlhrung










Bipolarplatte









2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC





Inhalt


11 Einfuumlhrung 1






3 Forschungsziel 14

































Einfluumlsse 58





























A Anhang 123



A12 Moldex3D 125


B Verzeichnisse 130

B1 Abbildungen 130




1


11 Einfuumlhrung










Bipolarplatte









2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC

















Einfluumlsse 58





























A Anhang 123



A12 Moldex3D 125


B Verzeichnisse 130

B1 Abbildungen 130




1


11 Einfuumlhrung










Bipolarplatte









2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC
















A Anhang 123



A12 Moldex3D 125


B Verzeichnisse 130

B1 Abbildungen 130




1


11 Einfuumlhrung










Bipolarplatte









2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC






1


11 Einfuumlhrung










Bipolarplatte









2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC






2













notwendig [MEH03]









[HER05 MEH03 RAU99]











3



























4
















werden






kann








2 Stand der Technik

5

2 Stand der Technik



















e -e-

Katalysator

e -

Bipolar-Halbplatten

Katalysator


GDL GDL

Wasser

Sauerstoff (Luft)

Wasserstoff



2 Stand der Technik

6

























2 Stand der Technik

7









gegen sie ab















[KAI03]






2 Stand der Technik

8









Betriebsbedingungen




















Werkstoffen

2 Stand der Technik

9













schaften)















2 Stand der Technik

10






dh




















herangezogen







2 Stand der Technik

11













barkeit

Bulk-wider-stand

Kontakt-uumlber-

gangswi-derstand

Dichte Gas-permea-

bilitaumlt


keit

Biege-festig-

keit


keit




Glas-kohlenstoff













2 Stand der Technik

12





Metallfolien





























2 Stand der Technik

13






















3 Forschungsziel

14

3 Forschungsziel























kann





erfolgen





15


41 Materialauswahl

































16


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung











1 [DER09]









17
































18









Schmelze


19

































20









Weise zu ermitteln

∆p∆pgem

∆pE

Druckaufnehmer

Druckaufnehmer

Fv

Beweglicher Kolben






Viskositaumlt gilt

W

W

γ

τη

amp= (41)


21


∆p

L

Dp∆τW 4

= (42)


berechnet werden

3

32

Dπ

VγW

amp

amp = (43)









1ampamp (44)


22











IR-Detektor


Xenon Blitzlampe

Reflektor

Probenwechsler

Optischer Filter










23
















der Messapparatur


24

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ

RD

RK

Messprobe



Gasdiffusionsmedium

Rges

Anpresskraft

Anpresskraft

RΩΩΩΩ
















25















26

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 201 401 601 801 1001 1201 14011601 1801 20012201 2401 26012801 3001 32013401 3601 38014001 4201 44014601 4801 50015201

Dre

hza

hl [1

min

] D

reh

mo

me

nt

[Nm

] M

as

se

dru

ck

[b

ar]

Ma

ss

ete

mp

era

tur

[degC

] D

urc

hs

atz

[k

gh

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15

sp

ez E

ne

rgie

ein

tra

g [

kW

hk

g]









werden


[kgh]


G2 sphaumlrisch 40

G3 expandiert 10



27










18694 18656 18574

17591 17597 17540

16576

16115

16643

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Dic

hte

[g

cm

3]











28





1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175

G275

G375

250degC


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180

G280

G380

250degC



29

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185

G285

G385

250degC











LFA447 NanoFlash




30

















244

25

95

11

191

35

0

100

200

300

G1_M

through-

plane

G1_M

in-plane

G2_M

through-

plane

G2_M

in-plane

G3_M

through-

plane

G3_M

in-plane

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

25 degC







31


























32







825553

174

88

154

268

151 160

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



151

89

147

313

151

202 215192

233

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




33

143

8087

178

101

152

207

110

207

0

10

20

30

40

G175 G275 G375 G180 G280 G380 G185 G285 G385

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC

Pro

be

nic

ht

hers

tellb

ar














34

506 245 51 1449 340 65 71 38 260

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]









97 42 20 155 60 26 33 23 180

25

50

75

100

125

150

175

200

G175 G180 G185 G275 G280 G285 G375 G380 G385

flauml

ch

en

sp

ez

Wid

ers

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

sup2]



35




14 20 17 19 16 12 15 16 1624 41 54 48 54 51 21 35 48026 031 053 040 057 067 019 032 0480

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G185 G180 G175 G285 G280 G275 G385 G380 G375

Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

gefe

sti

gke

it [

MP

A]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

De

hn

un

g [

]



















36



Rheologie xxx xx x







Preis xx xx x

Summe 17 17 12














37


[microm]

BET-Oberflaumlche

[m2g]

Bezeichnung

klein 109 71 K

mittel 191 48 M

groszlig 272 36 G









00

100

200

300

400

500

600

700

00

00

16

00

14

46

00

29

15

00

43

45

00

58

15

01

12

46

01

27

16

01

41

47

01

56

17

02

10

48

02

25

19

02

39

50

02

54

20

03

08

51

03

23

22

03

37

52

03

52

23

04

06

54

04

21

24

04

35

55

04

50

26

Zeit [hhmmss]

Dru

ck

[b

ar]

amp D

reh

mo

men

t [N

m]

00

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ma

sse

tem

pera

tur

[degC

]

75 Gew- 80 Gew- 85 Gew-




38


[microm]

Durchsatz

[kgh]

klein 109 1

mittel 191 2-3

groszlig 272 1-2










162164161

170172 172

183183 181

15

16

17

18

19

20

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC



39









1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G175_K

G175_M

G175_G

250degC



1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_K

G180_M

G180_G

250degC




40

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1

]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G185_K

G185_M

G185_G

250degC








44465683 67 67

144178

144

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




41







117123136 145162 166

247232 234

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC



1049472 73

132 122

166137

159

0

10

20

30

40

G1

75_K

G1

75_M

G1

75_G

G1

80_K

G1

80_M

G1

80_G

G1

85_K

G1

85_M

G1

85_G

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)]

25 degC




42












240 506 95 245 376 715135998

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]







43

85 97 38 42 68 28

2020

1550

25

50

75

100

125

150

175

200


flaumlch

en

sp

ez W

iders

tan

d [

mΩΩ ΩΩ

cm

2]






23 20 19 22 17 15 24 20 1633 42 50 33 46 49 44 51 55023 029 036 023 044 057 033 041 0560

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60


Bie

gem

od

ul

[GP

A]

Bie

ge

festi

gk

eit

[M

PA

]

00

01

02

03

04

05

06

07

08

Deh

nu

ng

[





44








feststellen












Rheologie x xx xx







Preis x xx xxx

Summe 12 15 14



45













unterscheiden


[m2g]

Bezeichnung












46




74

48

59

69

38

68

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dre

hm

om

en

t [N

m]

Abb 435 Drehmoment

234

241

231

247

239

233

258

200

210

220

230

240

250

260

270

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sch

melz

ete

mp

era

tur

[degC

]



47

81

38

55

72

29

63

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Sc

hm

elz

ed

ruck

[b

ar]


027

036

020

036

031

025

039

0

01

02

03

04

05

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

sp

ezif

isc

her

En

erg

iee

intr

ag

[kW

hk

g]









48









170171172 172 171 170

15

16

17

18

19

20

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Dic

hte

ρ [

gc

m3]

25 degC










als der Typ R2


49

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

G180_M_R23

G180_M_R26

G180_M_R29

250degC









98 86 8582116

6789

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC




50

196162

186 188 177190205

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC



142132110 104 115110128

0

10

20

30

40

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

Waumlrm

ele

itfauml

hig

keit

λ [

W(

m K

)] 25 degC









51



245 54 30 23 58 36 260

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]





42 25 18 18 28 21 210

10

20

30

40

50

60

G1

80_M

G1

80_M

_R1

3

G1

80_M

_R1

6

G1

80_M

_R1

9

G1

80_M

_R2

3

G1

80_M

_R2

6

G1

80_M

_R2

9

flauml

ch

en

sp

ez W

ide

rsta

nd

[m

ΩΩ ΩΩc

m2]



52











Rheologie x xx

Materialdichte x x





Summe 9 9













53

















54

















positioniert














55






















56





































57













58



































59

Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0 -

T3 [degC

]



Temperaturen

2250

2750

3250

3750

4250

4750

000 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Zeit [s]

T_M

ir [

degC]

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

4250

4500

4750

T0

- T

3 [

degC]










60



































koumlnnen


61


00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

25000 35000 45000 55000 65000Zeit [s]

Dru

ck

Ma

ss

e amp

P0

-P3

[ba

r]

Po

s

Sch

neck

e [

cc

m]

000

500

1000

1500

2000

2500

Sp

ritz

ges

ch

win

dig

ke

it v

[cc

ms

]





















62


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI

1 mm Duumlse ZBT

2 mm Duumlse ZBT

















63


1

10

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

DKI



















waumlre


64


1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

260degC DKI





1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]

310 degC DKI











65





1

10

100

1000

10000

100 1000 10000 100000


Vis

ko

sit

aumlt

[Pa

s]




260 degC DKI

310 degC DKI

360 degC DKI

















66
















Standards







0

25

50

75

100

1000 10000 100000 1000000 10000000


log

M1 [

]

PP Neuware

G180_M_R16

250degC 9 min

250degC 18 min

280degC 9 min

280degC 18 min

310degC 9 min

310degC 18 min

1 normiert



67






















von 41 Gew- auf










uumlberpruumlft


68





werden

m

m

r

r

g

g

g

g

g

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

= bzw

m

m

r

r

g

g

r

r

r

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

ρ

ω

Φ

++

=

(61)






69


[Gew-]

Graphitgehalt

[Vol-]

Ruszliggehalt

[Gew-]

Ruszliggehalt

[Vol-]

Compound 205 PP-GR205 190 90 10 05

Compound 405 PP-GR405 380 207 20 13

Compound 605 PP-GR605 570 365 30 22

Compound 825 PP-GR825 779 620 41 38







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP 220degC

PP 250degC

PP 280degC

PP-GR605 220degC

PP-GR605 250degC

PP-GR605 280degC






70











entnommen werden









01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Wauml

rme

leit

faumlh

igk

eit

λ [

W(

m K

)]

PP (Nadel-Methode)



PP (Flash-Methode)







71









abhaumlngigkeit







Unterstempel

Heizbaumlnder

Isolierung

Dichtung

Heizdraht

Pruumlfkammer

Probekoumlrper

Druck p

Temperatur T

nadelfoumlrmiger

Messfinger

Thermoelement

F






72
















( )

12

12

4 TT

ttln

π

QCλ

minus=

amp

(62)


T Temperatur

t Zeit










und mehr





73















613)





einzuschaumltzen













74









Probe

Masse mReferenz

Thermischer

Widerstand


Temperatur T

Temperatur- und















75


beschleunigen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825 Graphit




















76







Dichtungen

F

F

D





















77



















aufgefuumlhrt

060

080

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

01 MPa 20 MPa

40 MPa 80 MPa

120 MPa 160 MPa

PP

PP-GR605



78






dargestellt [DRU04]

d


dt


A


d

a




middot

b

γ

τη












m

crel

η

ηη = (64)






79












u u

dd

u

dh

nmiddoth

d-nmiddoth


d

hnΦ f

sdot= (65)

hnd

uγc

sdotminus= (66)

dt

γdγ c

c =amp (67)





80

m

c

γ

γB

amp

amp= (68)







1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

Messung 220degC

Messung 250degC

Messung 280degC

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF

CARREAU-WLF




γητ amp= (69)



81

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Sc

hu

bsp

an

nu

ng

τ [

kP

a]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825











10E-05

10E-04

10E-03

10E-02

10E-01

10E+00

0 20 40 60 80


Vers

ch

ieb

un

gs

fak

tor

B [

]

220degC

250degC

280degC




82

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80


rela

tiv

e V

isk

os

itaumlt η

rel [

]

220degC

250degC

280degC

Scherrate 1000 s-1














erfasst






folgende Beziehung

mV SρS = (610)



83









[gcm3]


[m2g]


[106 cm

2 cm

3]

G1 x _K 219 71 0155

G1 x _M 219 48 0105

G1 x _G 219 36 0079

G2 x _M 219 66 0145

G3 x _M 219 270 0591

R1 190 910 1729

R2 190 770 1463








ξ

mcγ

ηη

+=

amp

100000100

(611)


84

( ) ( )( )rf Φr

rVg

gV

ΦeΦSΦSeξ

63161 0090066050 += (612)

rgf ΦΦΦ += (613)







beruumlcksichtigt










1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell



85

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M

G280_M

G380_M

DKI-Modell


1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

Scherrate γ [s-1]

Vis

ko

sit

aumlt η

[P

a s

]

G180_M_R13

G180_M_R16

G180_M_R19

DKI-Modell



86










Rechnung tragen

























87

f

fmc

Φη

Φηξλλ

minus

+=

1

1

(614)

ξM

Mη

+

minus=

1 (615)

m

f

λ

λM =

(616)

( ) ( )

f

rrVg

gV

Φ

ΦSΦSξ

minus

+=

011

170330 3131

(617)

rgf ΦΦΦ += (618)

0

10

20

30

40

00 02 04 06 08 10


Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

G1x_K

G1x_M

G1x_G

G2x_M

G3x_M

DKI-Modell

PP-GRxx

through-plane



88

01

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Waumlrm

ele

itfauml

hig

ke

it λ

[W

(m

K)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

DKI-Modell

through-plane








rgf ωωω += (620)









89

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ez

Waumlrm

ek

ap

azit

aumlt

cp

[J(

kg

K)]

PP PP-GR205

PP-GR405 PP-GR605

PP-GR825

Modell

GraphitRuszlig








rgf ωωω += (622)








90

050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell


050

075

100

125

150

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur T [degC]

Sp

ezif

isc

hes

Vo

lum

en

ν [

cm

3g

]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

PP-GR825

Modell



91



































92


































93








(Oslash

A A

3

5

5

4

A - A

3

1

4

2

3



94




















95

T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

320 cm s

200 MPa










erfasst werden

0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

IR-Sensor


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe


T Schmelze 220degC

T Werkzeug 50degC


p Nachdruck 20 MPa



96












0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

100

200

300

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]


Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe

Werkzeug 4 mm Tiefe

Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



97






( ) ( )WWOW

WOFO TTs












gerechtfertigt ist

50

100

150

200

0 10 20 30

Zeit t [s]

Te

mp

era

tur

T [

degC]

-25

0

25

50

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oeff

izie

nt α

[10

3 W

(m

2 K

)]

Polymer Randschicht


Werkzeug 2 mm Tiefe


Material PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa



98















0

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Werk

zeu

gin

nen

dru

ck p

[M

Pa]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa










99









1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit t [s]

Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]

PP

PP-GR205

PP-GR405

PP-GR605

p = 0p = 0p = 0p = 0

T Schmelze 280degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


1000

10000

100000

1000000

01 10 100


Waumlrm

euuml

berg

an

gsk

oe

f α

[W

(m

2 K

)]



100

713 Webapplikation








werden








101





















102

PP-GR205 PP


Volumenstrom

Druckbegrenzung

Schmelzetemperatur

Werkzeugtemperatur

10 cm s

50 MPa

3250degC

80degC

V T

T S

Wp G



T

T

V

S

W

250degC

80degC

10 cm s3

T

T

V

S

W

250degC

10 cm s3

120degC

T

T

V

S

W

250degC

80degC

20 cm s3

T

T

V

S

W

280degC

3

80degC

10 cm s

p G p G p G



103



















durchgefuumlhrt



104







PP-GR825

G180_M_R16

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

100 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

10 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

250degC

80degC

40 cm s

200 MPa

3

T

T

V

p

S

W

G

280degC

120degC

40 cm s

200 MPa

3


723 Bipolarplatten






105



















106



























107



3000 (3378) bar 280degC










2250 (2623) bar 320degC







108



3000 (3359) bar 320degC






















109
















110













0

50

100

150

200

250

100 1000 10000 100000 1000000


Flieszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

PP (C) PP (M)




TS 250degC

TW 80degC

V 10 cm3s

pG 50 MPa

(C) Cadmould 3D-F

(M) Moldex3D












111

158

130

89

42

9 10

147

119

89

48

7 12

0

50

100

150

200


Fli

eszlig

we

glauml

ng

e s

[c

m]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V

pG

80degC

50 MPa

10 cm3s

250degC

G180_M_




PP 5500 5500 500

PP-GR205 8000 8000 900

PP-GR405 12000 12000 1600

PP-GR605 40000 40000 4000

PP-GR825 4000001 400000 25000

G180_M_R16 3000001 300000 20000

1 extrapoliert










112

42

63

80

48

70

88

46

70

90

48

72

90

44

66

83

55

85

110

50

80

105

51

75

93

0

50

100

150

Fli

eszlig

weg

laumln

ge s

[cm

]

Messwerte

Simulation

TS

TW

V 80degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

20 cm3s

250degCTS

TW

V 120degC

10 cm3s

250degC TS

TW

V 80degC

10 cm3s

280degC

50 M

Pa 100 M

Pa

150 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 1

50 M

Pa

50 M

Pa

100 M

Pa 150 M

Pa

50 M

Pa 1

00 M

Pa

150 M

Pa









113






0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa


0

20

40

60

0 5 10 15 20 25

Zeit t [s]

Werk

ze

ug

inn

en

dru

ck

p [

MP

a]

Messung angussnah

Messung angussfern



T Schmelze 250degC

T Werkzeug 80degC


p Nachdruck 40 MPa






114




T

T S

W

250degC

80degC

V

p G

310 cm s

100 MPa


733 Bipolarplatten












115


T

T

S

W

280degC

80degC

V

p G

310 cm s

225 MPa

G180_M_R16



116














160

0

40

120

80

G180_M_R16

T

T

V

S

W

280degC

80degC

285 cm s3

MPa

(dp = -30 MPa)




117




















Infrarot-Heizungen




0

50

100

150

200

250

00 02 04 06 08 10

Zeit t [s]

Fuuml

lld

ruc

kb

ed

arf

p [

MP

a]

Tw = 80degC

Tw = 120degC

Tw = 160degC

T Schmelze 300degC


116 MPa

185 MPa

222 MPa



118

























generiert











119





























aufgezeigt werden


120





























beschraumlnkt


121

























dargestellt








122

















A Anhang

123

A Anhang


A11 Cadmould 3D-F


( ) 32

1

1 PT

T

aPγ

aPη

amp+=

(A 1)

( ) ( )

S

S

S

ST

TTC

TT

TTC

TTalog

minus+deg

minusminus

minus+deg

minus=

6101

868

6101

868

0

0 (A 2)


TPp

P

Pp

Pν

M

M

M

MM

3

2

4

1

++

+=

(A 3)

( )pPTPexpPTPp

P

Pp

Pν SSS

S

S

S

SS 765

3

2

4

1minus+

++

+=

(A 4)


A Anhang

124



R16


P2 [s] 00391 00309 00531 00962 05126 03721

P3 [ ] 0642 0670 0685 0740 0826 0828

T0 [degC] 25000 25000 25000 25000 25000 25000

Ts [degC] -107 503 2506 4915 14810 11356



P3 (Melt) [bar] 1247473E+03 1179990E+03 1431395E+03 1451548E+03 2207420E+03 1277735E+03

P4 (Melt) [bar] 3263383E+04 4012385E+04 3478604E+04 4101542E+04 4265094E+04 6341469E+04






P6 (Solid) [1K] 1289021E-01 1302848E-01 1335889E-01 1238488E-01 7256268E-02 8713924E-02


P1 (Trans) [degC] 14192 14759 14856 15008 15050 15192



Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

125

A12 Moldex3D


( )n

τ

γη

ηη

-1

0

0

1

+

=

lowast

amp

(A 6)

( )( )

minus+

minusminus=

lowast

lowast

TTA

TTAexpDη

2

110

(A 7)


pDA~

A 322 += (A 9)


tVB

plnCVV +

+minus= 110

(A 10)

gt+

le+=

tmm

tss

TTfuumlrTbb

TTfuumlrTbbV

21

210

(A 11)

( )( )

gtminus

leminus=

tmm

tss

TTfuumlrTbexpb

TTfuumlrTbexpbB

43

43 (A 12)

( )

gt

leminus=

t

tt

TTfuumlr

TTfuumlrpbTbexpbV

0987

(A 13)

5bTT minus= (A 14)

pbbTt 65 += (A 15)

08940C = (A 16)

A Anhang

126



R16

Viskositaumlt n [ ] 032323 030592 030359 025869 0198187 016710

Tau [Pa] 137952 180442 160116 245908 186801 157131

D1 [Pa s] 422880E+11 980890E+04 252275E+11 106441E+12 226380E+19 693865E+10

D2 [K] 367880 327682 234949 374063 191150 311631

D3 [KPa] 0000 0000 0000 0000 0000 0000

A1 [ ] 23619 16478 27405 23423 47638 30489

A2~ [K] 23617 439471 125910 32408 145240 255012


b2m [m3(kg K)] 985187E-07 810117E-07 591955E-07 433982E-07 201687E-07 236006E-07

b3m [Pa] 716293E+07 794374E+07 894403E+07 114685E+08 184565E+08 183767E+08

b4m [1K] 445212E-03 459634E-03 357960E-03 384110E-03 247929E-03 360416E-03

b1s [m3kg] 114994E-03 100819E-03 861932E-04 742819E-04 587415E-04 595516E-04

b2s [m3(kg K)] 397040E-07 250617E-07 963997E-08 149824E-07 898325E-08 802176E-08

b3s [Pa] 130633E+08 157694E+08 213065E+08 213436E+08 292134E+08 290906E+08

b4s [1K] 693393E-03 367280E-03 186335E-03 327841E-03 291409E-03 239324E-03

b7 [m3kg] 119409E-04 884957E-05 788616E-05 398764E-05 181260E-05 173595E-05

b8 [1K] 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01 100000E-01

b9 [1Pa] 237649E-08 253283E-08 265228E-08 254972E-08 250031E-08 248302E-08

b5 [K] 41498 42048 42156 42309 42350 42327

b6 [KPa] 237649E-07 253283E-07 258974E-07 254972E-07 246904E-07 248302E-07


Temperatur

[J(kg K)] 280 [degC] 2970 2600 2300 1910 1560 1610

260 [degC] 2900 2540 2240 1860 1520 1570

240 [degC] 2840 2480 2180 1810 1480 1520

220 [degC] 2770 2420 2120 1760 1440 1480

200 [degC] 2710 2360 2060 1710 1400 1430

180 [degC] 2650 2300 1990 1660 1360 1390

160 [degC] 2580 2240 1930 1610 1310 1340

140 [degC] 2520 2180 1870 1560 1270 1290

120 [degC] 2330 2010 1720 1420 1170 1190

100 [degC] 2140 1850 1580 1320 1100 1110

80 [degC] 1990 1710 1470 1230 1030 1040

60 [degC] 1860 1590 1370 1140 960 970

40 [degC] 1730 1480 1260 1060 890 900


Temperatur

[W(m2 K)] 280 [degC] 0212 0255 0426 128 127 98

260 [degC] 0210 0250 0426 128 127 98

240 [degC] 0206 0244 0420 128 127 98

220 [degC] 0202 0240 0412 128 127 98

200 [degC] 0197 0242 0402 128 127 98

180 [degC] 0195 0239 0398 128 127 98

160 [degC] 0194 0257 0436 128 127 98

140 [degC] 0245 0311 0497 128 127 98

120 [degC] 0230 0297 0473 128 127 98

100 [degC] 0228 0288 0483 128 127 98

80 [degC] 0225 0279 0470 128 127 98

60 [degC] 0215 0267 0460 128 127 98

40 [degC] 0208 0262 0450 128 127 98

A Anhang

127


Abkuumlrzungen










IR Infrarot




NT Niedertemperatur


PP Polypropylen





Vol- Volumenprozent


Indizes

c Compound

f Fuumlllstoff

g Graphit

m Matrix (Polymer)

r Ruszlig

A Anhang

128


A Flaumlche







D Durchmesser

d Spaltabstand

F Kraft


H Houmlhe

h Schichthoumlhe

L Laumlnge

l freie Weglaumlnge


m Masse

n Anzahl

p Druck





Q Waumlrmemenge




RΩ Innenwiderstand






T Temperatur


A Anhang

129




t Zeit

u Auslenkung

V Volumen

V Volumenstrom



β Heizrate

γ Scherrate


γW Wandscherrate

η Viskositaumlt





ξ Strukturfaktor

ρ Dichte

τ Schubspannung


Φ Volumenanteil

ω Massenanteil

B Verzeichnisse

130

B Verzeichnisse

B1 Abbildungen


























B Verzeichnisse

131





























B Verzeichnisse

132





























B Verzeichnisse

133





























B Verzeichnisse

134













B Verzeichnisse

135


















[BLU96] R Bluhm






[BMB00] NN



[BOS05] M Bosse




B Verzeichnisse

136




[BRU06] R Brunotte




[CAR68] PJ Carreau






[DER09] T Derieth




[DRU04] D Drummer





Eigenschaften

















B Verzeichnisse

137

[IGF09] NN



[KAI03] W Kaiser


Brennstoffzellen





[KNA71] W Knappe



[KRE10] C Kreuz


Compound


[MAR08] AV Markov












[MON01] M Moneke


und unter Druck








B Verzeichnisse

138

[NIM06] O Niemzig






Bipolar Plates


[OSZ06] M Oszipok



[PAH83] MH Pahl







[RAU99] O Rau








[RUG03] MD Ruge










[SLA62] GA Slack


Physical Review 127 (3) (1962) 694-701

B Verzeichnisse

139









Polymers

Polymer 39 (1998) 2235-2239

[WAN10] C Wang












PEMFC





charakterisierung hochgefüllter graphit-compounds zur ......dazu sollte ein grundlegendes...

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