Schlagzähigkeitserhöhung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe für Spritzgussanwendungen (HiBiKuS); Teilvorhaben "Steuerung von Morphologie und mikromechanischen Prozessen zur Schlagzähigkeitserhöhung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe für Spritzgussanwendungen"; Akronym: HiBiKuS

Abstract

Ziel des Verbundvorhabens war die Erforschung und Anwendung mikromechanischer Mechanismen zur Erhöhung der Schlagzähigkeit vollständig biobasierter und gut rezyklierbarer Kunststoffe zur Herstellung von Bauteilen für mechanisch anspruchsvolle Anwendungen im Spritzgussverfahren. Die Forschung diente der Verbesserung der Eigenschaften biobasierter Polymere durch gezielte Steuerung der Mikro- und Nanostruktur, der Funktionalisierung von Grenzflächen und der Entwicklung anwendungsbezogener Prozesse zur Herstellung und Verarbeitung innovativer Produkte. Dabei zielte das Forschungsthema auf die Substitution von Polymeren auf Basis fossiler Rohstoffe, insbesondere den Ersatz erdölbasierter Massenkunststoffe wie Polypropylen und Polyethylen. Relevant waren dabei sowohl die Auswahl der Ausgangsstoffe, die Rohstoffgewinnung aus nachhaltigen Quellen als auch das gewählte Verarbeitungsverfahren Direct Compounding Injection Moulding (DCIM) mit Vermeidung wiederholter Aufheiz- und Abkühlphasen bei der Compoundierung des Kunststoffs und der Bauteilherstellung. Arbeitsschwerpunkte waren daher Forschungen zur Kristallisationssteuerung zur Einstellung der optimalen teilkristallinen Morphologie und zu den wirksamen Schlagzähmechanismen. In diesem Teilprojekt des Forschungsvorhabens gelang die Entwicklung elektronenmikroskopischer Präparations- und Abbildungsverfahren, die erfolgreich zur Aufklärung der teilkristallinen Strukturen, der Füllstoff- und Modifikatorteilchenverteilung und zur Darstellung der mikromechanischen Prozesse bei Deformation und Bruch eingesetzt wurden. Bei Untersuchungen zur Kristallisationskinetik konnte der Zusammenhang von Verarbeitungsweg und Temperaturführung und dem sich ausbildenden sphärolithischen Gefüge sowie der Struktur und Anordnung der kristallinen Lamellen gezeigt werden. Die Nukleierungswirkung von verschiedenen Füllstoffen und Modifikatoren wurde untersucht. Es wurden geeignete Ausgangsmaterialien charakterisiert und ausgewählt, Insbesondere wurden geeignete Kautschuksorten definiert und eingesetzt. Die Modifizierung und Einarbeitung von Kautschukpartikeln war im Labormaßstab sowie in der Direktverarbeitung mittels DCIM erfolgreich. Dabei konnten vorteilhafte mikromechanische Mechanismen gefunden und die prinzipielle Wirksamkeit der zähigkeitssteigernden Mechanismen nachgewiesen werden. Darauf basierend wurden mittels DCIM Demonstratoren in Form von Prüfkörpern für Zug- und Kerbschlagbiegeversuche sowie Platten hergestellt und getestet. Die Projektergebnisse belegen, dass PBS durch geeignete Materialkombinationen und die gewählten Verfahren signifikant in seiner Schlagzähigkeit verbessert werden kann. Die durch Optimierungszyklen erzielten Compounds steigerten die Kerbschlagzähigkeit von ursprünglich ca. 7 kJ/m² auf bis zu 15 kJ/m² und erreichten damit die in der Automobilindustrie übliche Mindestanforderung für schlagzähe Materialien.