Kunststoffe nach Maß - Aus dem Baukasten der Kunststoffingenieure

Es war schon immer ein Ziel der Konstrukteure, für jeden Anwendungsfall sofort den optimalen Werkstoff bereit zu haben, ohne erst zeit- und kostenintensive Entwicklungen abwarten zu müssen. Betrachtet man die Vielzahl der Neuentwicklungen technischer Teile oder Gebrauchsgegenstände aus Kunststoffen, die pro Jahr neu auf den Markt kommen, so wird klar, daß nicht für jedes Produkt ein komplett neuer Kunststoff entwickelt werden kann.

Kunststoffe bestehen aus langen, kettenförmigen Molekülen mit entweder nur einer Art von Bausteinen oder einer Abfolge verschiedener Einheiten, vergleichbar z. B. mit der menschlichen DNA. Wesentliches Ziel der modernen Kunststoffchemie und -technik ist die Voraussage der Eigenschaften dieser Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Dies stellt eine große Herausforderung an die Wissenschaftler der Universitäten dar.

Neue Kunststoffe aus bekannten Bausteinen
Anorganische Füllstoffe (z.B. Glasfasern) verleihen Kunststoffen höhere Dimensionsstabilität und Steifigkeit oder werden zur Verbilligung teurer Kunststoffe beigemischt. Die Nachteile von Verstärkungsstoffen mit Abmessungen im Mikrometerbereich sind schlechte Oberflächengüte und hoher Abrieb an Verarbeitungswerkzeugen. Der mangelnde Glanz bisheriger verstärkter Kunststoffteile erfordert zusätzliche Lackierungsschritte, z.B. bei Anwendung als Kotflügel am PKW. Es besteht daher ein erhebliches Interesse an Verstärkungsstoffen mit Nanometerdimensionen.

Die Polymer Engineering Group im Arbeitsbereich Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Kunststofflabor der BASF AG zwei wesentliche Probleme – wie erzeugt man anorganische Verstärkungen im Nanometerbereich, und wie verbindet man diese mit den Kunststoffmolekülen? Eine Verstärkung durch Schichtsilikate (100 nm x 100 nm x 1 nm) ermöglicht verbesserte mechanische Eigenschaften und erhöht gleichzeitig die Diffusionswege für niedermolekulare Substanzen, was z.B. für luftdichte Verpackungen wichtig ist.

Zur Erreichung bestimmter Eigenschaftskombinationen liegt es nahe, eine Kunststoffmischung herzustellen. Da sich die meisten Kunststoffe nicht homogen mischen, ergibt sich eine grobe Phasenverteilung und eine schlechte Grenzflächenhaftung. Die Verknüpfung von verschiedenen Kettensegmenten zu sog. Blockcopolymeren führt zu Mikrophasen, die physikalisch verknüpft sind.

Eine Phasenseparation im Nanometerbereich führt zu faszinierenden Morphologien, die z.B. die Herstellung ultrafeiner Membranen oder flacher LED´s auf Kunststoffbasis ermöglichen. In der Arbeitsgruppe werden im Rahmen des SFB 371 „Mikromechanik mehrphasiger Werkstoffe” die Potentiale dieser Materialien untersucht.

Polymermischungen auf Basis bekannter Polymere
Dreiblockcopolymere können auch helfen, Kunststoffmischungen zu verbessern. Bei solchen Blends versucht man, die guten Eigenschaften der Komponenten zu kombinieren, um einen Werkstoff zu erhalten, der optimal auf das Anforderungsprofil abgestimmt ist. Die oftmals schlechten mechanischen Eigenschaften resultieren aus einer schwachen Phasenanbindung der meist nicht miteinander mischbaren Polymere.

Der neuartige Ansatz besteht darin, daß nicht nur die Endblöcke der Blockcopolymere mit jeweils einer Matrixkomponente mischbar sind, sondern zusätzlich ein elastomerer Mittelblock an der Phasengrenzfläche für eine Zähigkeitssteigerung der Materialien sorgt - und zwar besser als herkömmliche Additive.

 

Die Verbesserung der Zähigkeit ist nicht nur für thermoplastische Polymere – wie eben beschrieben – von Interesse, sondern auch bei duroplastischen Polymeren. Die Verbesserung der Zähigkeit neuartiger Epoxidharzsysteme, die mittels Metallorganokatalysatoren gehärtet werden, wird in Kooperation mit der DASA durchgeführt. Es gilt dabei, die Vorteile dieser Harzsysteme, wie z.B. schnelle Härtung und lange Lagerzeiten, beizubehalten und das Eigenschaftsprofil zu erweitern, um die hohen mechanischen Anforderungen der Luftfahrtindustrie zu erfüllen. Durch Kombination von Epoxidharzen mit Thermoplasten, die an den Molekülenden mit funktionellen Gruppen modifiziert sind, läßt sich durch chemische Bindung das Epoxidharz mit dem Thermoplast über die Phasengrenze verbinden. Dadurch lassen sich gezielt Eigenschaftsprofile einstellen.

Für Anwendungen mit hohen Materialanforderungen lassen sich nicht nur Epoxidharze, sondern auch Hochtemperaturthermoplaste wie PAEK (PolyArylEtherKeton) nutzen. Die Hochtemperaturthermoplaste (HT-Thermoplaste) weisen eine Reihe von ausgezeichneten Eigenschaften auf, wobei ihr sehr hoher Preis häufig einer Anwendung im Wege steht. Anwendungen sind derzeit nur vereinzelt in Bereichen wie der Medizintechnik und der Luftfahrt zu finden. Der hohe Materialpreis soll durch die Herstellung von Polymermischungen (Blends) auf der Basis von PAEK und einem zweiten HT-Thermoplasten - unter Beibehaltung des guten Eigenschaftsprofils von PAEK - reduziert werden. Damit können diese neuartigen HT-Blends weitere Anwendungsgebiete erschließen.

Die Reduzierung des Rohstoffpreises und die Erweiterung des Anwendungsgebietes spielen auch bei der Entwicklung von Materialien für die Verpackungsindustrie eine große Rolle. So gehen 15% der Versagensfälle bei Kunststoffen auf die medienbedingte Spannungsrißbildung zurück, was bei Lebensmittelverpackungen zum Verderben der Ware führen kann. Polystyrol ist ein Kunststoff, der unter Medieneinwirkung (z.B. Öl) zur Spannungsrißbildung neigt. Durch spezielle Prozeßführung an unseren Kunststoffverarbeitungsmaschinen gelang es, eine spannungsrißunempfindliche Minoritätsphase (Polyester) um eine spannungsrißempfindliche Majoritätsphase (Polystyrol) zu hüllen. Man erhält einen Werkstoff mit verbesserten Gasbarriereeigenschaften, der eine kostengünstige Anwendung als Verpackungsmaterial für fetthaltige Lebensmittel ermöglicht.

Bekannte Polymere in neuer Form
Bisher wurden Kombinationen bekannter Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften beschrieben. Auch die Überführung von bekannten Polymeren in eine andere neue Form führt zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete. So ist jedem bekannt, daß Polystyrol in kompakter und in geschäumter Form (Styropor) unterschiedliche Anwendungen findet. Dies ist das Ziel des Projektes „Neue Polymerschäume” zwischen der Polymer Engineering Group und der DASA im Rahmen des neuen Programms „Leitlinie Luftfahrtforschung”. Diese Polymerschäume sollen sowohl als Kernwerkstoffe für Sandwichlaminate als auch zur thermischen und akustischen Isolation eingesetzt werden. Die Dichte spielt in Strukturanwendungen (z.B. Leitwerke von Flugzeugen) und auch bei Nicht-Strukturanwendungen (z.B.Isolation) eine entscheidende Rolle. Es gilt, die innere Struktur des Schaumes (s. Bild) gezielt einzustellen, um das gewünschte Anforderungsprofil zu erreichen.

Die Polymer Engineering Group im Arbeitsbereich Kunststoffe und Verbundwerkstoffe arbeitet in Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an der Weiterentwicklung der Einsatzmöglichkeiten von Kunststoffen. Hierbei steht eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Polymerchemikern, Physikern und Ingenieuren verschiedener Fachrichtungen im Vordergrund. Von der Synthese bis zum fertigen Bauteil werden alle Schritte mit modernsten wissenschaftlichen Methoden untersucht (s. Grafik).

Dipl.-Ing. Thorsten Kirschnick,
Dipl.-Ing. Michael Renner,
Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt
AB Kunststoffe und Verbundwerkstoffe
Tel.: 040/42878-3238
www.tuhh.de/kvweb/