Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Herstellung von Graphen- und CNT-basierten Polyamid 6-Kompositen mittels reaktiver Extrusion

Viele Branchen fordern Kunststoffe mit sehr guten mechanischen Eigenschaften bei geringer Dichte. Daher werden zunehmend Nanofüllstoffe, wie beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen, genutzt, die wegen ihrer großen Füllstoff-Polymer-Interaktionsfläche selbst bei geringen Füllstoffanteilen deutliche Eigenschaftsverbesserungen erlauben. Im Labormaßstab führen geringe Füllstoffanteile zu einer überproportionalen Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Die Herstellung von Graphen- bzw. CNT-basierter Komposite in den Vorhaben 16286N und 141EBG hat jedoch gezeigt, dass keine ausreichende Dispergierungsgüte im Doppelschneckenextruder und somit auch keine überproportionale Steigerung der Eigenschaften im Endprodukt erzielt werden kann. Deshalb wird in diesem Forschungsvorhaben eine Verfahrenstechnik zur Herstellung Graphen- und CNT-basierter Kunststoff-Komposite per reaktiver Extrusion entwickelt. Bei der reaktiven Extrusion wird das Polymer ausgehend vom Monomer im Doppelschneckenextruder synthetisiert. Hierbei können die eingesetzten Nanofüllstoffe bereits im niedrig viskosen Monomer durch Rührwerke und mit einer Ultraschallbehandlung dispergiert werden, um somit durch eine sehr gute Dispergierung hervorragende mechanischen Eigenschaften im Endprodukt zu ermöglichen. Zusätzlich kann durch die Ultraschallbehandlung eine Exfolierung des Graphens erreicht werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Eigenschaften erreicht werden soll. Darüber hinaus soll die Kompatibilität der Kohlenstoff-basierten Füllstoffe mit der PA6-Matrix durch eine Copolymerisation mit einem Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymers (SMA) gesteigert werden. Von den Ergebnissen profitieren insbesondere Compoundier- und Spritzgießbetriebe, die im Wesentlichen aus kmU bestehen und durch nanofüllstoffhaltige Compounds neue Anwendungen erschließen können. Darüber hinaus können die Spritzgießbetriebe durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften den Materialeinsatz in ihren Produkten senken.

Ergebniszusammenfassung:

Bei der Eincompoundierung der Füllstoffe Graphen bzw. Carbonnanotubes (CNT) in eine thermoplastische Matrix mit Doppelschneckenextrudern verbleiben auch bei optimierten Prozessparametern Füllstoffagglomerate im Compound, wie vorangegangene IGF-Forschungsvorhaben (16286, 141EBG) am IKV gezeigt haben.

Zur Reduzierung dieser Agglomerate wurde in diesem Forschungsvorhaben eine Verfahrenstechnik zur Herstellung von Nanofüllstoff-basierter Kunststoffcompounds mithilfe der reaktiven Extrusion von ε-Caprolactam zu Polyamid 6 in Kombination mit einer vorgeschalteten Ultraschallbehandlung entwickelt. Hierbei erfolgte die Einarbeitung der Nanofüllstoffe nicht in der hochviskosen Polymerphase, sondern bereits in der niedrigviskosen Monomerphase. Neben einer verbesserten Dispergierung der Nanofüllstoffe sollte auch eine gesteigerte Anbindung an die Polyamidmatrix erreicht werden.

Die Untersuchungen haben ergeben, dass keine Verbesserung der Dispergierung der Nanofüllstoffe durch die Kombination mit der reaktiven Extrusion im Doppelschneckenextruder erzielt wird. Eine vorgeschaltete Ultraschallbehandlung der Nanofüllstoff-Monomer-Mischung vor der Polymerisationsreaktion reicht ebenfalls nicht aus, um eine signifikant verbesserte Dispergierung zu erreichen. Die erhöhten Scherkräfte im Doppelschneckenextruder durch die zusätzliche Zugabe von Carbonfasern (CF) führt ebenfalls zu keiner Steigerung der Dispergierungsgüte der Nanofüllstoffe.

Eine gesteigerte Kompatibilität zwischen den Nanofüllstoffen und der Matrix resultiert durch die Einarbeitung von Styrol-Maleinsäureanhydrid (SMA). Diese Ergebnisse könnte zukünftig eine Reduktion von kohlenstoffbasierten Füllstoffen bei gleichbleibenden mechanischen und antistatischen Eigenschaften in Compounds, beispielsweise für Batteriegehäuse, ermöglichen.