Molekulardynamische Untersuchungen zur Viskosität von Kunststoffschmelzen

Bestimmung der Viskosität von Kunststoffschmelzen aus Polypropylen und Polyethylen mittels Molekulardynamik-Simulationen zur Vorhersage verschiedener Einflussfaktoren wie Temperatur und Druck.

Zusammenhang zwischen Viskosität und Schergeschwindigkeit | Bild: IKV

Simulationszelle von Polystyrol mit H2O | Bild: IKV

Thema der Arbeit:
Während der Verarbeitung liegt der Kunststoff in nahezu allen Fällen als Schmelze vor. In diesem Zustand ist die Kenntnis der Fließeigenschaften und insbesondere der Viskosität der Kunststoffschmelze ein entscheidender Faktor für deren Verarbeitung. Speziell im Hinblick auf die Bewertung, ob ein Kunststoff sich für ein bestimmtes Verarbeitungsverfahren eignet, ist die Abschätzung des exakten Fließverhaltens von großer Bedeutung. Die Problemstellung hierbei ist, dass das Fließverhalten von Kunststoffen äußerst komplex ist. Im Gegensatz zu vielen andern Flüssigkeiten zeigt sich bei Kunststoffschmelzen eine Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit, weshalb man bei Kunststoffen auch von einer Strukturviskosität spricht. Dieser Effekt geht auf die knäulförmige Struktur der Makromoleküle zurück, die durch eine angelegte Scherung gestreckt werden.

Die Arbeit hat Bezug zu diesem Forschungsprojekt:
Um ein besseres Verständnis dieses Effekts zu generieren sollen am IKV Untersuchungen mittels molekulardynamischer Simulationen durchgeführt werden. Bei molekulardynamischen Simulationen handelt es sich um eine atomistische Simulationsform, welche eine detaillierte Betrachtung der Vorgänge auf atomarer Ebene ermöglicht. Ziel ist es den Einsatz dieser Simulationsform zu Ermittlung von Viskositäten unter verschiedensten äußeren und inneren Einflüssen zu ermöglichen. Beispiele hierfür sind die Abbildung von Druck und Temperatur Einflüssen, aber auch Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses von Fremdpartikeln oder auch Kettenverkürzungen. Die zuletzt genannten Punkte sind insbesondere im Hinblick auf das Recycling von Kunststoffen von hoher Relevanz. Beim Recycling von Kunststoffen kommt es häufig zu Kettenverkürzungen und dem Eintrag von Fremdpartikeln. Den Einfluss dieser Faktoren benennen zu können ist von großer Bedeutung für die Umsetzung einer erfolgreichen Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe.

Zielsetzung:
Ziel Deiner Arbeit ist die simulative und experimentelle Bestimmung der Viskosität von Polypropylen und Polyethylen. Den exakten Inhalt sowie Umfang Deiner Arbeit legen wie gemeinsam, je nach Art der Arbeit und persönlichem Interesse fest. Einen groben Überblick über die möglichen Aufgabengebiete liefert die folgende Auflistung. Eine individuelle Anpassung der Aufgabenstellung auf Deine Interessen ist natürlich möglich.

Deine Aufgabenstellung:

Für eine Bachelorarbeit bearbeitest du folgende Aufgabenstellungen

  • Entwicklung und Aufbau einer Simulationsroutine zur Bestimmung der Viskosität von Polypropylen und Polyethylen
  • Anwendung der Simulation unter Variation verschiedener Parameter wie Temperatur, Druck oder Kettenverkürzungen

Für eine Masterarbeit bearbeitest du folgende Aufgabenstellungen

  • Entwicklung und Aufbau einer Simulationsroutine zur Bestimmung der Viskosität von Polypropylen und Polyethylen
  • Anwendung der Simulation unter Variation verschiedener Parameter wie Temperatur, Druck oder Kettenverkürzungen
  • Experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse hinsichtlich der veränderten Parameter
  • Übertragung der Simulationsmethodik auf weitere Polymertypen

Dein Profil

  • Technisches oder naturwissenschaftliches Studium (Maschinenbau, Materialwissenschaften, Chemie, Physik oder ähnliches)
  • Erfahrungen im Bereich der Molekulardynamik-Simulationen sind von Vorteil aber nicht zwingend notwendig

Wenn Du gerne eigenverantwortlich und selbständig arbeitest und neue Herausforderungen suchst, ist diese Arbeit genau das richtige für Dich. Falls dieses Thema Dein Interesse geweckt hat, schreibe mir gerne eine E-Mail oder melde Dich telefonisch bei mir.

Dein Ansprechpartner:
Felix Melzer M.Sc.
Telefon: +49 241 80-28373
E-Mail: felix.melzer@ikv.rwth-aachen.de