Herstellung von Graphen- und CNT-basierten Polyamid 6-Kompositen mittels reaktiver Extrusion

Abstract

Viele Branchen fordern Kunststoffe mit sehr hohen Steifigkeiten sowie Festigkeiten bei geringer Dichte. Daher werden zunehmend Nanofüllstoffe, wie beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), genutzt, die wegen ihrer großen Füllstoff-Polymer-Interaktionsfläche selbst bei geringen Füllstoffanteilen deutliche Eigenschaftsverbesserungen ermöglichen. Im Labormaßstab führen bereits geringe Füllstoffanteile zu einer überproportionalen Steigerung der Festigkeiten des Compounds. Forschungsseitig hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Herstellung von Graphen- bzw. CNT-basierten Compounds im Industriemaßstab keine ausreichende Dispergierungsgüte der Nanofüllstoffe erzielt wird [HP12, HA17]. Daher konnten auch keine überproportionalen Steigerungen der Festigkeiten des Compounds erreicht werden. Um die Güte der Dispergierung zu erhöhen, wurde in diesem Forschungsvorhaben eine Verfahrenstechnik zur Herstellung Graphen- und CNT-basierter Kunststoffcompounds mittels reaktiver Extrusion in Kombination mit einer vorgeschalteten Ultraschallbehandlung entwickelt. Bei der reaktiven Extrusion wird das Polymer ausgehend vom Monomer im Doppelschneckenextruder (DSE) synthetisiert, bevor es zum Compound weiterverarbeitet wird. Neben der Dispergierung der Nanofüllstoffe spielt die Kompatibilität zwischen Füllstoff und Matrix im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des Materialverbundes ebenfalls eine wichtige Rolle. Zur Steigerung der Kompatibilität wurde Styrol-Maleinsäureanhydrid (SMA) als Haftvermittler eingesetzt. Innerhalb des Forschungsvorhaben wurde gezeigt, dass auch durch die vorgeschaltete Ultraschallbehandlung die Dispergierung der eingesetzten Nanofüllstoffe im niedrig viskosen Monomer nicht signifikant verbessert werden kann. Allerdings kann durch den Einsatz von SMA eine erhöhte Anbindung der Kohlenstoff-basierten Füllstoffe an die Polyamid-Matrix erzielt werden, was zu einer Festigkeitssteigerung führt.