Kunststoff Mineralische Füllstoffe erhöhen die Wärmeformbeständigkeit

Forscher des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden (IPF) haben Polymer/Schichtsilikat-Nanokomposite entwickelt. Dabei handelt es sich um Kunststoffmaterialien, denen durch Zusatz von Tonmineralen spezielle Eigenschaften verliehen werden.

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Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.

Im Ergebnis der Forschungsarbeiten wurde unter anderem in Kooperation mit einem Autohersteller der Prototyp eines Karosseriebauteils entwickelt. Um Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen zu senken, wird im Automobilbau konsequenter Leichtbau angestrebt. Metallische Materialien sollen wo immer möglich durch leichtere Kunststoffe ersetzt werden. Dabei kommt es nicht nur auf vergleichbar hohe mechanische Eigenschaften an, sondern die Kunststoffe müssen auch spezifischen Anforderungen des Fahrzeug-Produktionsprozesses gerecht werden. Hier bieten die neu entwickelten Nanokomposite vielversprechende Lösungen: Die mineralischen Füllstoffe sorgen dafür, dass Kunststoffanbauteile besser in die gesamte Fahrzeugoberfläche integriert werden können.

Gemeinsamer Lackierprozess für Metalle und Kunststoffe möglich

Dank einer erhöhten Wärmeformbeständigkeit lassen sie sich zusammen mit der Stahlkarosserie on-line im industriell üblichen Lackierverfahren (kathodische Tauchlackierung) beschichten. Für herkömmliche Kunststoffe war das bei Temperaturen von kurzzeitig mehr als 200 °C bisher nicht möglich, und getrennte Lackierprozesse waren nicht nur technologisch aufwändiger, sondern verursachten häufig störende Unterschiede in Farbton, Glanz und Oberflächenbeschaffenheit. Durch die Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoff-Nanokomposite zur besseren Angleichung an den der Metallbauteile wird außerdem die Gestaltung von Fugen zwischen unterschiedlichen Materialien im Auto optimiert.

Die Einarbeitung des Minerals in den Kunststoff

Um die anorganischen Tonminerale in Polymere einarbeiten zu können, mussten sie zunächst gezielt vorbehandelt werden. Bei den für die Forschungsarbeiten am IPF ausgewählten Schichtsilikaten, speziell Montmorilloniten, wurde dafür ihr hohes Ionenaustauschvermögen genutzt, das sich daraus ergibt, dass zwei Tetraeder-Schichten über Ionen in einer Zwischenschicht elektrostatisch miteinander verbunden sind. Mittels Quellung oder Austausch der Calzium- oder Natrium-Kationen in den Zwischenschichten gegen langkettige organische Amine werden die Schichten aufgeweitet und der mineralische Füllstoff mit dem organischen Polymer verträglich gemacht. Wird das so modifizierte Mineral dann der Kunststoffschmelze in einem industriell üblichen Verarbeitungsprozess im Extruder zugesetzt, kann es - bei Auswahl geeigneter Vearbeitungsparameter - gleichmäßig als einzelne Partikel im Nanometerbereich in der Kunststoffmatrix verteilt werden und mit dem Kunststoff eine feste chemische Bindung eingehen. Beides ist erforderlich, um eine langzeitstabile Verstärkung des Kunststoffs zu erreichen und um die Qualität des Erscheinungsbildes, ggf. die Transparenz, des Kunststoffbauteils nicht zu beeinträchtigen.

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