Extrusion 4-2021

Analyse der Graphendispergierung mittels reaktiver Extrusion Der Einsatz von Graphenen zur Eigenschaftsverbesserung in technischen Anwendungen ist derzeit limitiert, da keine ausreichend homogene Dispergierung der Graphene im industriellen Maßstab erreicht wird. Um die Anwendungs- möglichkeiten dieses Füllstoffes zu erhöhen, wurden Versuche im Bereich der reaktiven Extrusion in Kombina- tion mit einer vorgeschalteten Ultraschallbehandlung Einsatz von Graphen in der Kunststoffverarbeitung Modifizierte Kunststoffe ermöglichen die Substitution von Me- tall- oder Keramikteilen in der Automobil-, Luft- und Raum- fahrtindustrie sowie im Maschinenbau [1]. Die Kunststoffe wer- den zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften (zum Bei- spiel Zugfestigkeit) meist mit Füllstoffen im Mikrometermaß- stab wie Glas- oder Kohlenstofffasern modifiziert. Der Verstär- kungseffekt hängt unter anderem von den Füllstoffeigenschaf- ten wie dem Aspektverhältnis und der spezifischen Oberfläche ab. So bewirkt eine hohe spezifische Oberfläche häufig eine starke Wechselwirkung zwischen der Kunststoffmatrix und dem Füllstoff, wodurch sich physikalische oder sogar chemische Bindungen aufbauen [2]. Nanofüllstoffe können aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche eine Alternative zu den klassi- schen zuvor genannten Füllstoffen im Mikrometermaßstab dar- stellen [2]. Zu den Nanofüllstoffen zählen Materialien, die in mindestens einer Dimension eine Größe im Nanometerbereich aufweisen [3]. Graphen ist ein Beispiel für einen solchen Nano- füllstoff, welcher sich durch besonders hohe mechanische Ei- genschaften (E-Modul von circa 1 TPa, Zugfestigkeit von circa 130 GPa) sowie eine hohe elektrische und thermische Leitfähig- keit auszeichnet [4, 5]. Daher stellt Graphen theoretisch ein vielversprechender Füllstoff zur Eigenschaftsmodifikation von Kunststoffen dar. Ein potenzielles Anwendungsbeispiel für Gra- phen funktionalisierte Kunststoffcompounds sind Batteriege- 42 Reaktive Extrusion – Aus der Forschung Extrusion 4/2021 Bild 1: Schematischer Versuchs- aufbau zur Verbesserung der Anwendung von Graphen durch eine der reaktiven Extrusion vorgeschalteten Ultraschallbehandlung [19] häusen, welche häufig hohe mechanische Anforderungen (zum Beispiel Zugfestigkeit) sowie thermische Leiteigenschaften des Konstruktionswerkstoffs fordern. Einige wissenschaftliche Publikationen [unter anderem 6, 7, 8, 9] behandeln bereits verschiedene Herstellungsmethoden von Graphen-basierten Kunststoffcompounds, wobei die Dispergie- rung des Graphens im diskontinuierlichen Kleinstmengenmaß- stab erfolgt. Die bisherigen Ergebnisse bestätigten das hohe Potential des Füllstoffs. So konnte allein durch den Einsatz von nur circa 3 Gew.-% Graphen in einer PP-Matrix die Zugfestig- keit des Compounds verdoppelt werden [10]. Da die verfah- renstechnischen Randbedingungen beim Einsatz von Schmelze- mischaggregaten für den Kleinstmengenmaßstab jedoch mit den Aggregaten im Technikums- oder Industriemaßstab nicht vergleichbar sind, sind diese Ergebnisse nur begrenzt auf einen kontinuierlichen industrienahen Compoundierprozess über- tragbar [11, 12]. Zudem sind industriell verfügbare Graphenty- pen, welche durch chemische Exfolierung von Graphit herge- stellt werden, entgegen der im Kleinstmaßstab verwendeten Typen mehrlagig aufgebaut. Dies wirkt sich negativ auf das spä- tere Compound aus, sodass für einen erfolgreichen industriel- len Einsatz der Graphene zuerst eine Trennung der einzelnen Graphenschichten erreicht werden muss. Untersuchungen zur Herstellung von Graphen-basierten Compounds auf einem Doppelschneckenextruder (DSE) unter industrienahen Bedin- gungen zeigen, dass allerdings makroskalige Agglomerate nach der Herstellung und Weiterverar- beitung im Compound vorliegen [13, 14]. Die eingebrachten Kräfte im DSE reichen nicht aus, um die mehrlagigen Schichten zu separie- durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die gewünschte Dispergierung aufgrund der starken Neigung der Graphene zur Agglomeratsbildung nicht eintritt. Aller- dings kann durch den Einsatz eines Styrol-Maleinsäure- anhydrids eine Anbindungsverbesserung für eine Füllstoff- kombination von Graphenen und Carbonfasern an die Polyamid-Matrix erzielt werden. Ɛ -Caprolactam mit Katalysator Ɛ -Caprolactam mit Aktivator Zahnrad- pumpe Carbon- fasern Side- feeder Styrol- Maleinsäureanhydrid Mehrstufige Vakuumentgasung Granulierung Graphen Ventil Durchflussreaktor Dispergierung durch Ultraschall Ultraschall- dispergiergerät Ɛ -Caprolactam mit Aktivator und Graphen Schleppmittel- eindosierung