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Neue Entwicklungsplattform für Nanokomposite

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Das SKZ bietet eine neue Entwicklungsplattform

Nanopartikel bieten aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche und der damit einhergehenden hohen chemischen Reaktivität die Möglichkeit, Kunststoffkomposite mit völlig neuen Eigenschaften zu entwickeln. Das Potential der nanoskaligen Additive kann jedoch nur genutzt werden, wenn es gelingt, die Primärpartikel in der Kunststoffmatrix homogen und frei von Agglomeraten zu verteilen. Der bisherige Stand der Technik der Pulververarbeitung stößt hierbei an die verfahrenstechnischen Grenzen. Mit dem am Europäischen Dispergier-Zentrum (EZD) in Selb und am Technologiezentrum des SKZ in Würzburg neu entwickelten Verfahren der suspensionsbasierten Einarbeitung von nanoskaligen Additiven, können Nanofüllstoffe erstmals ohne Verlust der Primärpartikeleigenschaften in Kunststoffe eingearbeitet werden.

Nanoskalige Partikel nehmen eine wichtige Rolle als funktionelle Additive für Kunststoffe ein, sind aber oft noch intensiver Gegenstand der Forschung. Herausfordernd bei der Herstellung solcher Nanokomposite ist es, die Agglomeration der Nanopartikel während der Verarbeitung zu verhindern und eine möglichst große Anzahl an Primärpartikeln im fertigen Compound zu erhalten. Mit dem innovativen Ansatz ist es nun möglich, den Herausforderungen zu begegnen und nanoskalige Partikel in die breite Anwendung zu bringen.

Als nanoskalige Füllstoffe werden zum Bespiel Bariumsulfat, Graphen oder auch Kohlenstoff-Nanoröhren in unterschiedlichen thermoplastischen Kunststoffen, wie zum Beispiel Polyethylen (PE) oder Polycarbonat (PC) eingesetzt, um gezielt mechanische Eigenschaften wie die Härte, Verschleißfestigkeit oder Fließeigenschaften des Compounds zu verbessern. Der klassische Prozess der Pulvereinarbeitung führt jedoch meist nur zu unbefriedigenden Ergebnissen bzgl. Dispergiergüte und birgt darüber hinaus die Gefahr einer Feinstaubbelastung. Die Alternative zur standartmäßig genutzten Vorgehensweise bietet die Einarbeitung von in einem Trägermedium (z. B. Wasser, Öl, etc.) dispergierter Nanopartikel. Einerseits kann so eine Staubexposition vollständig vermieden, andererseits kann die Agglomeration der Primärpartikel in der Suspension durch gezielte Stabilisierungsmaßnahmen verhindert werden. Um das Potential dieses Ansatzes voll ausschöpfen zu können, koppeln EZD in Selb und das Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg ihr Know-how und bieten eine neue Entwicklungsplattform zur Entwicklung von Nanokompositen.

Maßgeschneiderte Suspensionen für Nanofüllstoffe

Für eine hohe Dispergiergüte im Compound muss die Qualität der Suspension hinsichtlich Partikelgröße und Stabilität sichergestellt werden. Grundlage hierfür bildet die Auswahl und Dosierung entsprechender Prozesshilfsstoffe wie Netz-und Dispergiermittel oder auch Rheologieadditive.

Die Mitarbeiter des EZD identifizieren im Rahmen der Entwicklungsplattform hierzu in aufwendigen Versuchsreihen das am besten geeignetste Additiv als auch dessen Konzentration in der Suspension. Kritische Eigenschaften der Dispersionen werden mittels Sedimentationsgeschwindigkeit, der Viskosität oder auch des Zeta-Potentials überwacht. Die Dispergierung erfolgt über spezielle Methoden wie Ultraschall, duale asymmetrische Zentrifugation oder Hochdruckhomogenisierung, mit dem Ziel Feststoffagglomerate aufzubrechen und die so erhaltenen nanoskaligen Partikel im Dispergiermedium homogen zu verteilen. Die zu erreichenden Feststoffgehalte sind hierbei stark von der Qualität und den Eigenschaften des Ausgangsmaterials abhängig, liegen jedoch üblicherweise im Bereich bis 10 Gew.?%. In einem nächsten Schritt werden die stabilisierten Nanopartikel in einem innovativen Compoundierprozess am SKZ in Würzburg in eine Kunststoffmatrix eingearbeitet.

Extruderkaskade zur Einarbeitung nanoskaliger Suspensionen

Um die dispergierten Nanopartikel im nächsten Prozessschritt in eine polymere Matrix einzuarbeiten, wird am SKZ in Würzburg eine neu entwickelte Extruderkaskade bestehend aus gleichlaufendem Doppelschneckenextruder (DSE) Typ ZSK 26 MCC (Hersteller: Coperion GmbH Stuttgart) und einem Multi-Rotationssystem (MRS) 35 (Hersteller: Gneuß GmbH, Bad Oynhausen) genutzt. Die Zuführung der Suspension in den Prozess erfolgt dabei mittels einer neu entwickelten Einspritztechnologie und wird unter Druck direkt in die Schmelze im DSE injiziert. Der DSE selbst übernimmt hierbei das homogene Einmischen der flüssigen Komponente in die Polymerschmelze, um eine optimale Verteilung der Primärnanopartikel im späteren Compound zu erhalten. Bei Suspensionsanteilen von bis zu 50 Gew.?% gehören vor allem die Abkühlung der Schmelze im Einspritzbereich sowie eine Kontrolle der Abbaureaktion hydrolyseempfindlicher Polymere zu den verfahrenstechnischen Herausforderungen. Die aufbereitete und beladene Schmelze wird dann an das MRS übergeben. Im Zusammenspiel mit dem installierten Vakuumsystem entfernt das MRS das Trägermedium der Suspension effektiv und vollständig in einem Prozessschritt. Abschließend erfolgt die klassische Ausformung der Schmelze zu einem Strang, welcher nach Abkühlen im Wasserbad granuliert wird. Untersuchungen der Dispergiergüte und der Anzahl an Agglomeraten im fertigen Nanocompound zeigen im direkten Vergleich mit pulverbasierten Systemen die Vorteile der Verarbeitung von Nanosuspensionen (s. ABB).

Unternehmen sind herzlich eingeladen die Entwicklungsplattform am SKZ zu nutzen.

Eine Möglichkeit sich von den Möglichkeiten zu überzeigen bietet der Technologietag am 28.05.2020. Bei diesem haben Besucher die Möglichkeit die Verfahrenstechnik in der Anwendung zu erleben.

Ihr Ansprechpartner für Rückfragen:
Süddeutsches Kunststoffzentrum: Lars Helmlinger, l.helmlinger(at)skz.de, Telefon: 0931 4104-527
 

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