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Ausgewählte Ausgabe: 03-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Hochreine Kunststoffe

Polymere Materialien nehmen aufgrund ihrer leichten Verarbeitbarkeit und universellen Eigenschaften in unserem Alltag eine tragende Rolle ein. Allerdings steigen die Anforderungen an die Materialien immer weiter an, sodass eine stetige Optimierung der Materialeigenschaften notwendig ist. Das Einbringen von Nanopartikeln (NP) in die Polymermatrix zur Erzeugung von Nanokompositen stellt hierbei eine vielversprechende Strategie dar. Durch geschickte Wahl des Nanomaterials lassen sich mechanische, elektrische, optische, katalytische, magnetische oder auch biologische Eigenschaften des Nanokomposits bereits bei besonders niedrigen Füllgraden anpassen. Allerdings darf gerade bei empfindlichen Anwendungen wie beispielsweise in medizinischen Produkten die Reinheit nicht außer Acht gelassen werden. Die Universität Duisburg-Essen und die Particular GmbH haben auf Basis der Laserablation in Flüssigkeiten (Englisch: Pulsed Laser Ablation in Liquids, PLAL) eine skalierbare Methode entwickelt, mit deren Hilfe sich NP in hoher Reinheit, homogen dispergiert, in Kunststoffe einbetten lassen.


In der Industrie ist es gängig, Pigmente und Füllstoffe jeglicher Art als Pulver in Masterbatches einzuarbeiten. Eine weit verbreitete Anwendung ist z.B. der Einsatz von Ruß in der Reifenherstellung zur Verbesserung des Abriebs und der UV-Beständigkeit der Autoreifen. Dieses Verfahren führt mikroskopisch betrachtet schnell zu inhomogenen Partikelverteilungen innerhalb des Materials, was gerade bei der Verwendung von nanopartikulären Zusätzen nicht ganz unkritisch ist. Diese können bereits in sehr geringen Mengen im Promillebereich die gewünschten Eigenschaften erzielen. Hier kann jedoch eine inhomogene Verteilung lokal zu einem Verlust der gewünschten Eigenschaften führen, während an einer anderen Stelle ein Überschuss der kostspieligen NP vorliegt. Für viele Anwendungen, gerade in der Lebensmittel- und Medizintechnik, ist es allerdings unabdingbar, eine Kontrolle über die genaue Zusammensetzung und die homogene Verteilung der NP zu besitzen [1].
Zur Herstellung von Nanokompositen gibt es i.A. zwei verschiedene Ansätze. So lassen sich die NP einerseits direkt in der Polymermatrix herstellen (In-situ-Verfahren), andererseits können sie auch zuerst synthetisiert und anschließend eingebettet werden (Ex-situ-Verfahren). Das erhaltene Rohkomposit lässt sich auf diese Weise mit gängigen Kunststoffverarbeitungstechniken wie dem Spritzgussverfahren zu Halbzeugen und im Anschluss zu den gewünschten Bauteilen und Produkten weiterverarbeiten.
Generell erfolgt die Herstellung von NP heutzutage in der Regel entweder über nasschemische, Gasphasen- oder Festkörperprozesse. Bei den beiden letzteren handelt es sich in Bezug auf die Nanokompositherstellung um Ex-situ-Methoden. Der große Vorteil der meisten Festkörperprozesse ist, dass große Mengen an NP hergestellt werden können. Nachteilig ist allerdings, dass es bei den meist angewandten Mahlprozessen zu Abrieb der Mahlkugeln kommt und so potenziell Verunreinigungen mit in das Produkt eingeführt werden [2]. Gasphasensynthese wiederum ermöglichen es zwar große Mengen an reinen NP zu erzeugen, allerdings aggregieren die Partikel oft während der Synthese [3]. Beide Methoden vereint der Nachteil, dass die NP in die Polymermatrix dispergiert werden müssen, wobei es meist schwer ist, dies homogen und ohne große Mengen an Zusätzen zu erreichen. Nasschemische Methoden weisen als Ex-situ-Methode ähnliche Probleme wie die vorhergenannten beiden Methoden auf. Zusätzlich werden mit dieser Methode eher kleinere Mengen an NP hergestellt. Allerdings lässt sich diese Methode auch in situ anwenden, wobei Metallsalze direkt in der Polymermatrix reduziert oder Metallkomplexe zersetzt werden [1]. Durch diese Methode wird die homogene Dispergierung der NP vereinfacht, allerdings werden auch hier Verunreinigungen durch Nebenprodukte, Edukte, usw. vorliegen. Dadurch, dass die gängigen Methoden in der Regel zu Problemen mit der homogenen Dispergierung der NP führen, wird der Einsatz von Matrixbindern und Dispersionsmitteln oft nötig, was allerdings zu Problemen während der thermischen Verarbeitung des Komposits (Phasen-Segregation) [4] und zu einer zusätzlichen Verunreinigung für empfindliche Anwendungen führen kann. Basierend auf diesen Problemen ist es aktuell noch nicht möglich, das volle Einsatzpotenzial von Nanokompositen auszunutzen. Gerade für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen ist es notwendig, eine homogene und reproduzierbare Verteilung der NP in der Matrix aber auch die Reinheit zu garantieren.

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Autoren

 Elisabeth Mühlhausen

Universität Duisburg-Essen

 Mark-Robert Kalus

Particular GmbH, Burgdorf

 Stephan Barcikowski

Universität Duisburg-Essen

 Bilal Gökce

Universität Duisburg-Essen

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