Thema des Monats März 2009


Bild: Ein Kunststoff-Metall-Hybrid als Granulat oder Strang. Im nächsten Schritt lässt sich das leitfähige Material erneut plastifizieren und als Leiterbahn auftragen. © Fraunhofer IFAM

Intelligenter Verbund: Kunststoff-Metall-Hybride

Normalerweise sind Kunststoffe gute Isolatoren für den elektrischen Strom – häufig eine gewollte und umfassend genutzte Eigenschaft. Allerdings verbietet dieses Eigenschaftsprofil Applikationen, in denen die Ableitung elektrischer Ladungen gefordert ist, wie zum Beispiel bei der Erdung von Bauteilen oder in konstruktiven Entladungsstrukturen. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung, IFAM in Bremen haben jetzt so genannte Hybrid-Materialien entwickelt, die es erlauben, die Eigenschaftswelten von Metallen und Kunststoffen zu kombinieren. Die Möglichkeit, die positiven Eigenschaften beider Materialklassen zu vereinen, generiert vielfache Synergieeffekte für die unterschiedlichsten Hightech-Anwendungen - vergleichsweise leichte und preisgünstige Kunststoffe werden durch die Kombination mit metallischen Komponenten mechanisch belastbarer sowie elektrisch und thermisch leitend. Die Wissenschaftler haben ebenfalls ein innovatives Verfahren bereitgestellt, um die beiden unterschiedlichen Werkstofftypen zu einem homogenen Stoffgemisch aufzubereiten und mit etablierten Formgebungstechnologien kostengünstig zu Halbzeugen und Bauteilen verarbeiten zu können. Diese Kunststoff-Metall-Hybride haben ein ausgesprochen hohes Substitutionspotential und werden insbesondere in solchen Anwendungen überzeugen, in denen die Integration von Funktionen eine große Rolle spielt.

Brandschutz: Funktionale Nano-Füllstoffe

Der Wissenschaftler Dr.-Ing. Francis R. Costa von der TU Dresden hat in seiner Promotionsarbeit einen neuen Weg zur umweltfreundlichen Brandschutzausrüstung von Kunststoffen erforscht. Der Ansatz beruht auf der Untersuchung von nanoskaligen Layered Double Hydroxides (LDHs) als funktionstragende Additive zur Modifizierung von Kunststoffen wie etwa Polyethylen. Eine LDH-Variante – die so genannten Hydrotalkite – besitzen für diesen Anwendungsfall ein interessantes Eigenschaftsprofil: Erhitzt man sie auf Temperaturen oberhalb von 320 Grad Celsius, also über die Schmelzetemperaturen der meisten thermoplastischen Kunststoffe, so spalten sie Wasser ab und wirken daher quasi als integrierter Feuerlöscher. Dieses Verhalten prädestiniert diese Stoffgruppe geradezu dafür, als umweltfreundlicher Brandschutz in Kunststoffen und -bauteilen zu wirken. Die flammhemmende Wirkung der Wasserabspaltung wird zusätzlich noch durch die plättchenförmige Morphologie der Nano-Füllstoffe verstärkt, da diese im Brandfall zu einer den Gasaustausch hemmenden Oberflächenverkrustung führen. Dank dieses Effekts kann die Flammhemmung im Kunststoff bereits mit einem niedrigeren Anteil an Füllstoff erreicht werden, als dies mit klassischen mikroskaligen Flammhemmern möglich wird. Zusätzlich bewirken die Nano-Plättchen einen Verstärkungseffekt, der zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Kunststoffmatrix führt. Im kleintechnischen Maßstab konnte die Machbarkeit bereits erfolgreich gezeigt werden. Mit mehreren Industriepartnern wird gegenwärtig an konkreten Projekten zur industriellen Umsetzung gearbeitet.

Selbstheilender Korrosionsschutz


Bild: Die Erfinder präsentieren: Selbstheilende Coatings im Vergleich zu konventionellen Beschichtungen. Photo by L. Brian Stauffer

Wissenschaftler von der University of Illinois stellten kürzlich ein intelligentes Polymercoating vor, das als leistungsfähiger Korrosionsschutz wirkt. Das Coating funktioniert selbst dann, wenn es durch Kratzer und wirkende Verschleißmechanismen an der Oberfläche zerstört wird. Möglich wird diese Innovation durch einen integrierten Selbstheilungseffekt. Paul Braun und seine Kollegen realisieren diese Materialeigenschaft durch die Verkapselung von speziellen Katalysatoren und Molekülen in Hohlkugeln mit einem Durchmesser kleiner als 100 Mikrometer. Diese lassen sich in den unterschiedlichsten Beschichtungsmaterialien und Lacksystemen homogen dispergieren und können mit konventionellen Verfahren appliziert werden. Mit dieser Technologie beschichtete Bauteile und Komponenten zeigten in unterschiedlichen Korrosionstests hervorragende Leistungsmerkmale. Die Funktion lässt sich einfach erklären, im Falle einer Beschädigung der Beschichtung zerbrechen auch einige der gefüllten Hohlkugeln und ihr Inhalt fließt in die geschädigte Oberflächenregion ein. Die dabei freigesetzten Stoffe kommen in Kontakt und reagieren unter Ausbildung einer neuen, haften und deckenden Schicht, die das beschädigte Bauteil vor weiterem Angriff schützt.

Optimierte Kunststoffe – Eine Frage der Zutaten …

Kunststoffe haben ein interessantes Eigenschaftsprofil – gerade im Kontext nachhaltiger und ressourcenschonender Produktstrategien. Ihre geringe Dichte, ihre gute Ver- und Bearbeitbarkeit und ihre chemische Beständigkeit sind nur einige Charakteristika, die diese Materialgruppe zu attraktiven Kandidaten für anspruchsvolle Anwendungen im Bereich von Rohren, Schläuchen und weiteren Komponenten für den Transport von fluiden Medien machen. Dennoch können Kunststoffe nicht alle geforderten Kriterien zuverlässig erfüllen, so sind die schwachen mechanischen Kennwerte, der geringe Verschleißwiderstand oder die niedrige Temperaturbeständigkeit typische Beispiele für limitierende Schwachpunkte dieser Werkstoffklasse. Aktuelle Ergebnisse aus dem Bereich der chemischen Additivforschung oder auf der Basis neuartiger Verbundkonzepte zeigen allerdings interessante Ansätze auf, um diese Nachteile zu beheben und damit Kunststoffe in neue Anwendungswelten zu transportieren.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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