Ob Wärmeformbeständigkeit, optimierte Oberflächenbeschaffenheit oder höhere Bruchfestigkeit: Die Produkteigenschaften von Verbundwerkstoffen können Sie gezielt verbessern, indem Sie ihnen Nano-Additive zusetzen. Ebenso können Composites wie Kunststoffe durch den Einsatz von Nanocomposites besser verarbeitet werden. Die so verbesserte Eigenschaften durch Nanopartikel bringen viele Vorteile mit sich. So profitieren zum Beispiel Branchen wie die Auto- oder die Luft- und Raumfahrtindustrie beim Leichtbau durch Materialeinsparung oder Energieeffizienz.
Composites sind Verbundwerkstoffe, die sich aus mindestens zwei verschiedenen Materialien zusammensetzen. Derartige Materialverbünde, wie etwa Kunststoffe, werden für die Fertigung benötigt, etwa beim Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder in der Medizintechnik. Die miteinander verbundenen Materialien von Composites verfügen über andere Werkstoffeigenschaften als ihre einzelnen Komponenten. Um spezielle Eigenschaften der Verbundwerkstoffe gezielt zu verbessern, verwendet die Materialwissenschaft immer häufiger sogenanntes Nanocomposites – mit Erfolg.
Was sind Nanocomposites? Wie unterscheiden sie sich von Composites?
Nanocomposites sind Verbundwerkstoffe, die aus Füllstoffen in Nanogröße bestehen. Ihre Additive weisen mindestens eine Dimension von unter 100 Nanometer auf. Die jeweiligen Füllstoffe sind in eine Matrix eingebettet. Dabei wird die (polymere) Matrix mit nanoskaligen Partikeln, Plättchen oder Fasern gefüllt.
Zu den Nano-Additiven gehören z.B.
- kohlenstoffbasierte Additive (z.B. Carbon Black, Carbon Nanotubes, Graphen)
- nanoskalige Metalloxide
- Metalle (z.B. Nanosilber, -gold, -kupfer)
- Schichtsilikate wie Montmorillonit
- organische Additive wie Nanocellulose
Wie wirken Nanopartikel auf den Verbundwerkstoff?
Mit der Technologie der Nanopartikel entsteht eine völlig neue Dimension an Materialien, die häufig deutlich leistungsfähiger sind als herkömmliche Composites. Aufgrund der größeren Oberfläche der Nanofüllstoffe ergibt sich eine stärkere Wechselwirkung mit dem Matrixmaterial. So bildet sich eine homogenere Einheit der eingesetzten Verbundwerkstoffe. Die interagierenden Grenzflächen zwischen Nano-Additiv und Matrix sind signifikant größer als bei konventionellen, mikroskaligen Additiven. Auf diese Weise sind deutlich geringere Materialmengen erforderlich (< 5 Gewichtsprozent), um die angestrebten Eigenschaften zu erzielen. Nanocomposites-Verbundlösungen können somit sehr viel leichter sein als gängige Composites. Darüber hinaus lassen sich physikalische Eigenschaften nutzenorientiert optimieren – was mit herkömmlichen Composites in dieser Form nicht möglich ist.
Welche Eigenschaften können Sie durch Nanocomposites gezielt verbessern?
Nanocomposites haben die Forschung und den Einsatz von Verbundwerkstoffen in den vergangenen Jahren rasant weiterentwickelt. Auf das Matrixmaterial abgestimmte Nano-Additive empfehlen sich vor allem deshalb, weil sich zahlreiche Eigenschaften von Kunststoffen signifikant verbessern lassen. So können etwa die Zugfestigkeit, die Wärmeformbeständigkeit, der Brandschutz, die elektrische Leitfähigkeit oder die Barriereeigenschaften positiv beeinflusst werden. Mit Nanocomposites lässt sich beispielsweise das Material von Treibstofftanks vervollkommnen, indem die Durchlässigkeit von Sauerstoff, Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffen maßgeblich verringert wird.
Auch zeichnen sich mit Nanocomposites verstärkte Kunststoffe durch verbesserte Oberflächenbeschaffenheiten aus. So erzielen sie bei der Formulierung von Klebstoffen, Lacken, Matrixharzen für Verbundwerkstoffe oder Vergussmassen eine deutlich verbesserte Kratzfestigkeit und Bruchdehnung, einen geringeren Härtungsschrumpf sowie einen optimierten Wärmeausdehnungskoeffizient. Ebenso können duroplastische Kunststoffe mit wolframhaltigen Nanopartikeln kombiniert werden, um hochkonzentrierte, dispergierte Pasten herzustellen. So lassen sich mittels NaPoly* Power Batches besondere mechanische Produkteigenschaften und zusätzliche Charakteristika wie Wärmeleitfähigkeit oder UV-Strahlenschutz zu verbessern. Sollen thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen, bietet sich demnächst die neue Produktreihe NaTherm* Power Granules an: So können ausgewählten Thermoplaste künftig mit Nanopulvern ergänzt werden, um einzigartige, funktionelle Additive zu erzeugen und so bestimmte Produkteigenschaften zu verstärken.
Wie Sie beim Leichtbau profitieren
Im Leichtbau der Auto- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie kommt der Nanotechnologie eine immer größere Bedeutung zu. Die Füllstoffe lassen sich in Nanocomposites sehr homogen verteilen und führen zu Materialeinsparung und geringerem Gewicht. Ebenso entstehen durch mit Nanocomposites verstärkte Kunststoffe verbesserte Oberflächenbeschaffenheiten. Für eng mit dem Leichtbau verknüpfte Bereiche wie Automobilherstellung, Luft- und Raumfahrt, Energietechnik oder Fahrradherstellung sind Nanocomposites mit Kohlenstoffnanoröhren CNT (carbon nano tubes) und Graphen, aber auch Nanoprodukte mit Wolfram interessant. Der Grund: Diese weisen eine hohe Festigkeit, Bruchzähigkeit, chemische Beständigkeit sowie Möglichkeiten zu Verringerung des Gewichts auf.
Gerade in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie spielt die Verringerung des Materialgewichts eine entscheidende Rolle. Denn so lassen sich Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß reduzieren. Bei der Produktion von Karosserieteilen sind durch Nanocomposites verstärkte Polymere eine Alternative für Stahl. Auch hier können Energie eingespart und der CO2-Ausstoß verringert werden. Des Weiteren erzielen Nanocomposites in der Windenergietechnik positive Effekte: So sind in Leichtbauweise hergestellte Rotorblätter bedeutend leichter und stabiler als konventionelle. Sie schützen dadurch die Getriebe vor Verschleiß und steigern die Energieeffizienz.
Welche Probleme können auftreten und wie lassen sich diese beheben?
Nanocomposites bieten großes Potenzial für viele Anwendungsbereiche durch die Verbesserung der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Dennoch treten bisweilen Probleme bei der technischen Umsetzung auf. So ist manchmal die Verarbeitbarkeit im Prozess schwierig, ohne Ausfällungen oder störende Effekte auszulösen: Es können zum Beispiel beim Ink-Jet-Druck die Düsen bei Verwendung von Nanotinten blockieren, wenn die Nanomaterialien nicht angepasst sind. Auch die Form und Größe der Nanopartikel (etwa technische Probleme wie Durchflussbehinderungen durch sich quer stellende nadelförmige Strukturen), eine geringere Leitfähigkeit als gewünscht durch störende isolierende Bereiche oder Kurzschlüsse durch unerwünschte leitfähige Bereiche stellen Unternehmen bei der Produktweiterentwicklung vor Herausforderungen.
Andere Probleme sind die Löslichkeit und Verträglichkeit mit der Matrix oder die Skalierbarkeit bei CNTs und Graphen in der Produktion. Des Weiteren ist die Dispergierbarkeit problematisch, also die homogene Verteilung der Nanopartikel im Polymer. Um die Additive gleichmäßig zu verteilen und Agglomerationen zu verhindern, wird als Lösung häufig die Oberfläche der Nanopartikel modifiziert. Eine homogene Verteilung ist entscheidend für Verbesserungen der Matrix und letztendlich auch für die verbesserten Eigenschaften des Kunststoffs.
Was sind die Vorteile von Nanocomposites?
Der Hauptvorteil von Nanocomposites besteht darin, Eigenschaften von Kunststoffen gezielt verbessern zu können. Je nach Anwendungsbereich und Zielsetzung kommen daher unterschiedliche Nano-Additive zum Einsatz. Dies sind u.a. Schichtsilikate, kohlenstoffbasierte Nano-Additive, Nano-Metalle und Metalloxide oder organische Nano-Additive. Je nach Wahl der Nanomaterials lassen sich unterschiedlichste physikalischen Verbesserungen erzielen und auch bei einigen Nanomaterialien kombiniert erreichen, woraus sich viele Vorteile ergeben, u.a.:
- besondere Oberflächenbeschaffenheiten; Vorteil: Produktschutz
- reduzierter Füllstoffbedarf, verringertes Gewicht, Eignung für Leichtbauweise; Vorteile: Materialeinsparung, höhere Energieeffizienz, reduzierter Treibstoffverbrauch, weniger CO2-Ausstoß Kostenersparnis
- große Widerstandsfähigkeit, Festigkeit, Bruchzähigkeit, erhöhte Schlagzähigkeit, optimierte Verschleiß- und Abriebfestigkeit; Vorteile: hohe Produktstabilität, lange Produktzyklen
- erhöhter Strahlenschutz, verbesserte elektrische Leitfähigkeit, bessere Wärmeleitfähigkeit, höhere Festigkeit; Vorteile: mehr Sicherheit, bessere Funktionalität, Energieeffizienz
- besondere Härte, Korrosionsschutz, Temperaturbeständigkeit, höhere UV-Beständigkeit; Vorteile: langlebige Produkte
Fazit: Es lohnt sich, einen Blick auf neue Methoden zu werfen!
Nanocomposites machen Ihre Werkstoffe und Produkte deutlich leistungsfähiger und punkten auch darüber hinaus mit so einigen Vorteilen. Holen Sie sich einen kompetenten Partner an Ihre Seite, um potenzielle Problemfelder gezielt zu umschiffen und die Partikel perfekt auf Ihre Materialien abzustimmen.
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