Partikelgefüllte thermoplastische Kunststoffe mit definierter nanostrukturierter Partikelgeometrie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Peter Heim; Professor Dr. Hartmut Hillmer
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541311394

Um thermoplastische Verbundwerkstoffe mit definierten Eigenschaften herzustellen, werden im Bereich der Kunststofftechnik Füll- und Verstärkungsstoffe (z.B. Fasern) eingesetzt, was zu einer Steigerung der mechanischen Kennwerte führen kann. Partikel, wie z. B. Holzmehl, werden zusätzlich noch zur Kostenreduktion verwendet. Untersuchungen zu Fasern zeigen, dass Faserlänge, Faseranbindung und Fasersteifigkeit enorme Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und das Versagensverhalten von thermoplastischen Kunststoffen haben. Bei Füllstoffen sind außerdem die Partikelgröße und -form relevant. Mit der 2-Photonen Polymerisation, der optischen und Nano-imprint-Lithographie ist es möglich, Partikel mit genau definierten komplexen geometrischen Eigenschaften (Größe und Form) herzustellen. Aufgrund des aktuellen Stands der Forschung als auch aufgrund von eigenen Vorarbeiten der Antragsteller wird postuliert, dass mit diesen gezielt einstellbaren Partikeln neuartige und maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften ermöglicht werden. Damit sollen Mikro- und Nanopartikel auch innerhalb der Verbundwerkstoffe immer mehr an Bedeutung gewinnen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Herstellung und Charakterisierung von definierten feinstrukturierten Partikeln, die in eine Kunststoffmatrix (Polypropylen) mittels Compoundierung eingearbeitet werden. Anschließend sollen mittels Spritzgießen Zugprüfkörper hergestellt und auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht werden. Die Stabilität der eingearbeiteten Partikel spielt hierbei eine wichtige Rolle. Durch eine optimierte Parameterwahl (Temperatur, Schneckendrehzahl, Verweilzeit) soll eine schädigungsarme Verarbeitung sichergestellt werden. Eine gute Anbindung zwischen Faser und Matrix ist hierfür ebenfalls ein wichtiger Punkt im Projekt, weswegen die Partikeloberflächen durch eine Feinstrukturierung ergänzt werden. Während der Projektlaufzeit sollen die hergestellten Partikel hinsichtlich ihrer Qualität und Komplexität (dimensionale Ordnung von 2D auf 2,5D und 3D) stetig weiterentwickelt und noch weiter miniaturisiert werden. Um die komplexe Beziehung zwischen Form, Größe und mechanischen Eigenschaften von Fasern/Partikeln und Matrix zu analysieren, sollen zum einen sowohl die Partikel selbst als auch die Verbundmatrix immer wieder genau untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen