Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von hochgefüllten dünnwandigen Kunststoffelementen mit verbesserten Wärmetransporteigenschaften im Korrosionsbereich

In korrosivem Umfeld, was häufig in der Chemie und Verfahrenstechnik vorkommt, werden gegenwärtig für die Herstellung von chemisch beständigen Wärmetauschern entweder schlecht wärmeleitfähige Kunststoffe oder teure Sonderwerkstoffe oder Legierungen eingesetzt. Eine weitere Werkstoffalternative stellen hochpreisige kohlenstoffbasierte Verbundwerkstoffe dar, die mittels aufwändiger Prozesstechnik ur- und umgeformt werden müssen. In diesem Projektvorhaben soll die Lücke zwischen den hochpreisigen high performance-Werkstoffen und signifikant kostengünstigeren Kunststoffen durch die Entwicklung von hochgefüllten Kunststoff-Compounds für Nieder- (80 °C) und Hochtemperaturanwendungen (bis 150 °C ) mit einer deutlich gesteigerten Wärmeleitfähigkeit gegenüber den bisher eingesetzten Kunststoffen, bei gleicher chemischer Beständigkeit, erreicht werden. Diese Kunststoff-Compounds sollen zunächst in einem kontinuierlichen Extrusionsverfahren zu dünnen Platten verarbeitet werden, welche anschließend mit den benötigten Funktionsstrukturen ausgerüstet und mit einem zu entwickelnden Fügekonzept zu einem Wärmetauscher assembliert werden. Letztendlich sollen die Wärmetauscher in einem Teststand charakterisiert werden. Beginnende Arbeiten adressieren die Auslegung und Simulation der Wärmetauscher in Verbindung mit der Definition von Anforderungen an die Funktionalisierung der Kunststoff-Compounds. Auf Basis dieser Grundlage werden Materialkonzepte erarbeitet und erste Muster-Platten entwickelt, welche in ebenfalls entwickelten Testapparaturen quantifiziert werden. Für diese Platten werden anschließend geeignete Prägeverfahren und Fügetechnologien erarbeitet. Abschließend erfolgt die Evaluierung von Prozessdaten in einem Wärmetauscher-Teststand. Aufgrund der Einbeziehung der gesamten Wertschöpfungskette ist davon auszugehen, dass von den Projektergebnissen sowohl rohstoffherstellende KMU als auch potenzielle Hersteller und Anwender von derartigen Wärmetauschern profitieren werden.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Forschungsprojekts wurden hochgefüllte Kunststoffwärmeübertragerplatten mit Füllgraden von bis zu 80 Gew% Graphit hergestellt. Es wurden unterschiedliche thermoplastische Kunststoffe wie Polypropylen (PP), Polyethylen und Polyphenylensulfid (PPS) als Matrixmaterial verwendet. Letzteres zielt auf Hochtemperaturanwendungen bei ca. 150 °C ab.

Der verwendete Füllstoff zur Realisierung der gewünschten Wärmeleitfähigkeiten war Graphit, da dieser hohe intrinsische Wärmeleitfähigkeiten aufweist und aufgrund seiner Inertheit korrosionsstabil ist.

Die kontinuierlich extrudierten Platten wurden zunächst ex-situ hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, mechanische Stabilität, Kontaktwinkel etc. charakterisiert und aus vielversprechenden Materialien hochgefüllte Kunststoffwärmeübertragerplatten mit Füllgraden von bis zu 80 Gew% Graphit hergestellt. Die vielversprechendsten Materialformulierungen wurden in größerer Stückzahl zu Folien/ Platten kalandriert und weiteren Tests wie beispielsweise Foulinganfälligkeit unterzogen.

Auch wurden Plattenwärmetauscher aus den hergestellten Platten aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen.

Die geringe Foulinganfälligkeit der Materialien macht ihren Einsatz in foulinganfälligen Systemen besonders attraktiv und kann teure Metalle wie Titan in Wärmeübertragern substituieren.