Einfluss der Verfestigungsdynamik auf die Komponentenverteilung und Partikelausrichtung in Polymer-Partikel-Kompositfilmen mit plättchenförmigen Partikeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilhelm Schabel
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249199328

Polymer-Partikel-Komposite sind im letzten Jahrzehnt zunehmend in den Fokus der Materialforschung gerückt. Durch die Einbettung von Nanopartikeln in eine Polymermatrix werden Polymeren neue Eigenschaften verliehen. Die Funktionalität von Polymer-Partikel-Kompositen hängt neben der Materialauswahl maßgeblich von der Komponentenverteilung ab. Diese wird u.a. durch Randbedingungen während der Prozessierung beeinflusst. Komposite können durch Beschichten einer Dispersion und anschließende Trocknung hergestellt werden. Die entstehende Komponentenverteilung hängt sowohl von der Stabilität der Dispersion, als auch von der Verfestigungsdynamik ab. Letztere wird maßgeblich von Stofftransportprozessen bestimmt. Im vorausgehenden Antrag wurde der Einfluss der Trocknung auf die Komponentenverteilung mittels mit kryoREM und Ramanspektroskopie untersucht. Es wurden drei verschiede Verteilungen beobachtet: eine Partikelanreicherung an der Unterseite des Polymerfilms, Gleichverteilung von Partikeln und Polymer oder eine Anreicherung der Partikel im oberen Teil des Films. Zusätzlich wurden Ansätze zur Berechnung der Komponentenverteilung während der Trocknung weiterentwickelt. Mithilfe des so erstellten Modells, dass Diffusion von Partikeln, Polymer und Lösemittel, Trocknung und Partikelsedimentation berücksichtigt, wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Als entscheidende Einflussparameter wurden das Verhältnis von Schichtdicke, Anfangslösemittelanteil, Trocknungsrate, Partikelgröße und die Viskosität des Polymer-Lösemittelgemisches identifiziert und mit dimensionslosen Kennzahlen quantifiziert. Die entstehenden Komponentenverteilung wurden mit diesen Zahlen kartographiert. Die Verteilungskarten wurden mit den durchgeführten Experimenten validiert. Die erstellten Verteilungskarten erleichtern sowohl das Formulierungsdesign, als auch die Wahl der Trocknungsbedingungen, sodass eine bestimmte Verteilung sphärischer Partikel bei der Trocknung in einer stabilen Dispersion eingestellt werden kann. In vielen Beschichtungen kommen jedoch plättchenförmige Partikel zum Einsatz. Die Ausgangshypothese für die Fortführung der Forschungsarbeiten ist, dass es auch für plättchenförmige Partikel möglich ist, Trocknungs-Verteilungskarten zu berechnen, die die Partikelverteilung für plättchenförmige Partikel vorhersagen. Ein zusätzlicher Freiheitsgrad ist hierbei die Partikelausrichtung. Diese kann entscheidend für die Funktion von partikelbeladenen Filmen sein. Voruntersuchungen zeigen, dass ein wichtiger Mechanismus die Ausrichtung an der Phasengrenze und am Substrat ist. Daher ist davon auszugehen, dass zwischen Ausrichtung und Partikelanordnung ein signifikanter Zusammenhang besteht. Ziel dieses Antrags ist es deshalb, auch für nicht sphärische Partikel Trocknungs-Verteilungskarten zu berechnen und ihre Gültigkeit für diese Systeme zu überprüfen. Zusätzlich soll systematisch die Orientierung der Partikel in den unterschiedlichen Regimen untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Philip Scharfer