FORSCHUNGSTHEMEN

Auxetisches Polypropylen

Ungewöhnliches Verhalten eines teilkristallinen Polymers

Auxetische Materialien expandieren bei Dehnung quer zur Zugrichtung. Dieses ungewöhnliche Verhalten wurde zuerst bei bestimmten Polymerschäumen beobachtet [1], und ist bei Materialien mit einer natürlichen Gefügestruktur sehr selten [2].

Wir haben in dünnen Filmen aus elastomerem Polypropylen mit niedrigen Kristallinitätsgrad, das in der Kreuzschraffurmorphologie kristallisiert, lokal auxetisches Verhalten entdeckt [3]. Mit einem Mikrozugversuch können wir einen freitragenden Polymerfilm im Rasterkraftmikroskop uniaxial dehnen und dabei das Deformationsverhalten der Mikrostruktur beobachten. Die 15 nm breiten, kristallinen Lamellen sind senkrecht im Film ausgerichtet und bilden etwa 100 nm große, unregelmäßige Rechtecke mit einem Winkel von 80° zwischen den Schenkeln, der durch die Kristallstruktur des alpha-Polypropylens definiert ist. Bei uniaxialer Dehnung des Polymerfilms (hier in y-Richtung) bleiben diese Winkel fest und die Rechtecke dehnen sich auch senkrecht zur Zugrichtung aus. Diese Deformation entspricht einem negativen Poisson-Verhältnis. Sie ist reversibel und wird auch bei Filmen mit ausgedehnter Kreuzschraffurmorphologie beobachtet [4].

Unser Erklärungsmodell [3] basiert auf intrinsischen Eigenschaften des alpha-Polypropylens: festen Verzweigungswinkeln zwischen den Lamellen, festem kristallinem Volumen und fester Lamellenbreite aufgrund der Verschlaufungen zwischen den Polymermolekülen. Infolge dessen nimmt das von den kristallinen Lamellen umschlossene Volumen bei uniaxialer Dehnung des Polymerfilms zu. Unsere Ergebnisse zeigen, dass auxetisches Verhalten eine intrinsische Eigenschaft von alpha-Polypropylen mit Kreuzschraffurmorphologie ist. Offene Fragen sind, welche Rolle dabei das viskoleastische Verhalten der amorphen Matrix spielt und ob auxetisches Verhalten auch auf größeren Längenskalen beobachtet werden kann.

[1]  R. Lakes, Science 235, 1038–1040 (1987); K. E. Evans, Endeavour, New Series 15, 170–174 (1991).
[2]  G. N. Greaves, A. L. Greer, R. S. Lakes, T. Rouxel, Nature Materials 10, 823–837 (2011).
[3]  M. Franke, R. Magerle, ACS Nano 5, 4886–4891 (2011).
[4]  M. Neumann, Dissertation, TU Chemnitz (2015). PDF