Strukturen und Beschichtungen

Die Herstellung von Kompositmaterialien aus Kunststoffen und einer zweiten, partikulären Phase ist bereits seit Jahrzehnten gängige Praxis in der Polymerindustrie. In der Vergangenheit wurden vor allem Partikel im Mikrometerbereich genutzt. In jüngerer Zeit eröffnet die Verwendung von Nanopartikeln ein neues Feld innovativer Materialien. Sie lässt neue Anwendungen im Bereich von Beschichtungen und der Fertigung tragender Bauteile zu. Die Integration von Nanopartikeln in die Polymermatrix stellt allerdings in vielen Fällen neue Herausforderung an den Dispergierprozess.

Nanopartikel, also Feststoffteilchen mit einem Durchmesser im Bereich weniger Nanometer, zeichnen sich durch ein hohes Verhältnis von Partikeloberfläche zu Gewicht aus. Sie sind dadurch in der Lage starke Wechselwirkungen mit dem umgebenen Polymermaterial einzugehen und haben dadurch das Potential wichtige Materialeigenschaften des Komposits bereits in geringer Konzentration maßgeblich zu beeinflussen. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche und den daraus resultierenden starken Wechselwirkungen neigen Nanopartikel jedoch auch zur Agglomeration, also der Anlagerung der Partikel untereinander.  Bei der Herstellung der Nanopartikel kommt es darüber hinaus zur Bildung von Feststoffbrücken zwischen den Partikeln, wodurch sich Aggregate bilden.

Um von den oft einzigartigen Eigenschaften der Nanopartikel zu profitieren, müssen Agglomerate und Aggregate während des Dispergierprozesses zerstört werden und die Primärpartikel in vereinzelter Form vorliegen. Um dies im industriellen Maßstab gewährleisten zu können, müssen neue Wege der Dispergierung entwickelt werden. Dazu werden verschiedene Dispergiergeräte und ihre Betriebsparameter auf ihre Eignung hin untersucht.

Um eine Wiederanlagerung der Partikel zu vermeiden, müssen die Partikel in der Suspension stabilisiert werden. Die Formulierung der Suspension muss deshalb gegebenenfalls durch Zugabe von Stabilisator-Agentien erweitert werden. Die Arbeitsgruppe widmet sich daher auch dem Screening industriell erhältlicher Stabilisator-Agentien.

Die Dispergierung erfolgt mit der Absicht anwendungsrelevante Produkteigenschaften gezielt verändern zu können. Um den Erfolg messen zu können, werden Materialtests durchgeführt und mit den dispersen Eigenschaften der Produkte verglichen.

Ein Ziel im Bereich „Strukturen“ ist es durch die Dispergierung von Partikeln die mechanischen Eigenschaften von Nanokompositen zu verbessern. Gleichzeitig soll auch die Schwindung von Bauteilen während der Härtung vermindert werden, weil dies zu Spannungen und damit zur Schwächung der Bauteile führt. Eine Verminderung der Schwindung kann deshalb mit einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einhergehen.

Im Bereich der Beschichtungen haben optimal dispergierte Nanopartikel das Potential die mechanischen Eigenschaften der Schichten zu verbessern und darüber hinaus funktionelle Eigenschaften wie eine leichtere Reinigbarkeit oder eine photo-katalytische Aktivität zu schaffen.


Arbeitsgruppenleiter: Dipl.-Ing. Carsten Schilde (Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade)
Technische Universität Braunschweig - Institut für Partikeltechnik (iPAT)