Potenzial der natürlichen Halloysite zur Verbesserung des Isolationsverhaltens und der mechanischen Eigenschaften von zellulären Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Kunststofftechnik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524820165

Polymerschäume sind wegen ihres geringen Gewichts und ihrer attraktiven Eigenschaften wie Wärmedämmung, Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen und chemischer Beständigkeit zu einem wesentlichen Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Angesichts ihrer besonderen Eigenschaften ist die Verwendung von Polymerschäumen in vielen Anwendungen (z. B. Gebäudeisolation oder Sandwichkonstruktionen in der Windenergie) unabdingbar. Isolationsmaterialien mit verringerter Wärmeleitfähigkeit spielen eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des globalen Energieverbrauchs und der CO2 Emission. Eine Verringerung der Schaumdichte und der Zellgröße sind bekannte Strategien zur Verbesserung des Isolationsverhaltens. Um dies zu ermöglichen, werden Schaum-Nanoadditive (z. B. auf Kohlenstoffbasis wie Graphen sowie auf Tonmineral-Basis, einschließlich Halloysite (HNTs)) hauptsächlich als Nukleierungsmittel verwendet. HNTs erhöhen die Anzahl der Nukleierungspunkte in der Polymermatrix, um Schäume mit einer optimierten Morphologie zu erhalten. Aufgrund ihrer Vorteile wie natürlichem Vorkommen, niedrigem Preis, Unbedenklichkeit und einfacher Verarbeitbarkeit im Vergleich zu Nanoadditiven auf Kohlenstoffbasis sind natürliche HNTs als Schaumkeimbildner attraktiver geworden. Ihre einzigartige nanotubuläre poröse Form mit scharfen Kanten, hohem Aspektverhältnis und verstärkende Wirkung führt zu Schäumen geringer Dichte mit feiner Morphologie, verbesserter Isolierung und mechanischen Eigenschaften bei sehr niedrigen HNT-Konzentrationen (<1 Gew .-%). Daher konzentrieren wir uns in dieser Studie auf das Potenzial von HNTs als Schaum-Nanoadditiv zur Verbesserung der Leistung eines Isolierschaummaterials, nämlich Polystyrol (PS) und eines Kernmaterials für Sandwichverbundwerkstoffkonstruktionen, nämlich recycletem Polyethylenterephthalat (rPET). Nach unserem Kenntnisstand gibt es keine wissenschaftlichen Arbeiten zur Wirkung von HNTs auf die Morphologie und Eigenschaften von PS- und rPETSchäumen. Autoklavschäume im Labormaßstab und kontinuierlichen Schaumextrusion, werden durchgeführt um Isolations- und Kernmaterialien auf HNT-Basis herzustellen. Das Hauptziel dieses Antrags ist es, den Einfluss des Aspektverhältnisses und der Konzentration von HNTs auf die Nukleierung und Morphologie von amorphen PS- und teilkristallinen rPET-Schäumen zu verstehen. Auch soll in Abhängigkeit von Konzentration und Geometrie verstärkt der Einfluss der HNTs auf die drei verschiedenen Wärmetransportmechanismen untersucht werden (insbesondere die Reduktion der Wärmestrahlung). Darüber hinaus werden der Einfluss des HNT-Typs und der Konzentrationen auf das Kristallisationsverhalten (Kinetik und Kristallitgröße) von rPET sowie die daraus resultierende Schaummorphologie untersucht. Die Korrelationen zwischen Prozess, Schäumbarkeit, Zell- und Kristallnukleierungseffizienz, Schaummorphologie, Dichte sowie Isolations- und mechanischen Eigenschaften von Schäumen auf Basis von HNT werden ermittelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen