Kunststoffmodifikationen mit nanoskaligen Partikeln

Das Versetzen von Kunststoff mit festen Füllstoffen ist eines der klassischen Verfahren, um seine Eigenschaften gezielt zu verändern. Eine Fülle von Compounds ist bekannt, in denen beispielsweise Kreide, Ruß, Holz, Gummi, Glas- und Kohlefasern in die Kunststoffmatrix eingebracht sind. Das Ziel ist meist, den Kunststoff härter, weniger spröde oder gegen Zug, Druck und Torsion widerstandsfähiger zu gestalten.

Die Eigenschaften solcher klassischen Compounds sind bei passender Ausgestaltung der inneren Grenzflächen zwischen Kunststoffmatrix und Füllstoff oft in guter Näherung als Kombination der jeweiligen Eigenschaften von Matrixkunststoff und Füllstoff zu beschreiben. Ganz anders verhält es sich, wenn man den Kunststoff mit nanoskaligen Partikeln modifiziert. Grund ist, dass für eine gegebene Menge eines festen partikulären Stoffes seine Oberfläche mit fallender Größe der Einzelpartikel stark wächst. Erreichen die Einzelpartikel des Feststoffes schließlich nanoskalige Dimensionen, so kann ein Gramm des Materials leicht mehrere 100 m2 Oberfläche aufweisen.

Gelingt es, derartig kleine Partikel in nennenswerter Menge homogen in eine Kunststoffmatrix einzumischen, kann man davon ausgehen, bei einem in seinen Eigenschaften grundlegend veränderten Material zu enden. Nun sind es nicht mehr die Materialeigenschaften von Kunststoffmatrix und Füllstoff, die in ihrer Kombination die resultierenden Eigenschaften des Compounds ergeben, wie das bei klassisch gefüllten Kunststoffsystemen gilt. Das Materialverhalten der sog. „Nanocomposites“ wird vielmehr durch die besonderen Eigenschaften bestimmt, die den Kunststoff bildenden Polymerketten zeigen, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe zu einer Nanopartikel-Oberfläche befinden: Die Oberfläche der Partikel schränkt die Polymerketten in ihrer räumlichen Ausdehnung und Gestalt massiv ein. Sie können infolge dessen nicht länger ihre – im Falle amorpher Kunststoffe – bevorzugte Knäuelgestalt einnehmen oder – im Falle teilkristalliner Kunststoffe – ihre Kristallite ungestört ausbilden.

Da im Falle von nanoskaligen Partikeln eine immens große Oberfläche in den Kunststoff eingetragen wird, hat dies bei guter Dispergierung zur Folge, dass nahezu alle Polymerketten des Kunststoffes in die unmittelbare Nachbarschaft von Partikeln geraten, in ihren Möglichkeiten zur räumlichen Ausdehnung also erheblich beschränkt werden. Im Ergebnis tritt beim Kunststoff-Nanocomposit ein Eigenschaftsprofil zutage, das dem der durch Grenzflächen stark behinderten Polymerketten entspricht. Dieses Eigenschaftsprofil kann je nach Matrix-Füllstoff-Kombination weit weg von dem sein, das im Falle eines chemisch identisch aufgebauten Compounds mit grobkörnigerem Füllstoff entsteht. Dieses völlig andersartige Materialverhalten der von den inneren Grenzflächen dominierten Kunststoff-Nanocomposites ist es, das Forscher und Entwickler seit Jahren beflügelt, an diesen Materialien intensiv zu arbeiten.

Zielvorstellungen sind beispielsweise eine deutlich größere Härte und Kratzfestigkeit des Werkstoffes bei gleichzeitig verbesserter Zähigkeit (z.B. durch Einbringen nanoskaliger Silica-Partikel), eine verringerte Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten durch den Kunststoff, ohne dass dieser gleichzeitig versprödet oder intransparent wird (z.B. durch hochgespaltene Schichtsilikate wie Glimmer), eine massiv gesteigerte Duktilität bei weiter bestehender Transparenz (z.B. durch nanoskalige Kautschuk- oder Gummiphasen), ein erhöhter Brechungsindex für optische Kunststoffteile (z.B. durch Titanoxid- oder Zirkonoxid-Nanopartikel), eine bessere Fließfähigkeit während der Verarbeitung oder eine – gegebenenfalls sogar anisotrop – erhöhte Zugfestigkeit, wie man sie z.B. von Compounds mit Carbon-Nanotubes (CNTs) erwartet.

Die größte Herausforderung bei allen diesen Kunststoff-Nanocomposites ist es, den nanoskaligen Füllstoff „partikeldispers“, d.h. ohne Verklumpung zu Assoziaten und Aggregaten, in der Kunststoffmatrix zu verteilen. Oft scheitert das bereits daran, dass die nanopartikulären Füllstoffe schon aus ihrer eigenen Synthese als zu größeren Gebilden verbundene Aggregate hervorgehen, spätestens aber bei Transport und Lagerung zu solchen „versintern“. In den meisten Fällen gelingt es dann während des Compoundierprozesses nicht mehr, diese größeren Partikelaggregate aufzubrechen. Die Eigenschaften des resultierenden Materials bleiben dann weit hinter den Möglichkeiten zurück. Neuere Entwicklungen lassen aber hoffen, dass leistungsfähigere Wege zu einer wirkungsvolleren Redispergierung zu finden sind.

Selbst wenn das gelingt, bleibt aber die Schwierigkeit, dass ein Kunststoff-Nanocomposit, in dem die nanoskaligen Partikel dispers verteilt sind, weit weg von seinem thermodynamischen Gleichgewicht, seinem bevorzugten Zustand ist: Die Polymerketten, die im Nanocomposit nahezu alle unter dem Einfluss der großen inneren Grenzflächen leiden, wollen diese Einschränkungen möglichst effektiv verringern und ihre ungestörte Kettengestalt zurückgewinnen. Dies gelingt ihnen im Zuge von Fließprozessen und damit vor allem mit Unterstützung der Scherkräfte, die während der formgebenden Verarbeitung (Extrusion, Spritzguss) auftreten: Es resultiert dabei eine Phasentrennung von Kunststoff und Nanopartikeln, die sich im Ergebnis als ein Aggregieren der vormals dispers verteilten Nanopartikel zu Aggregaten manifestiert. Um dies zu verhindern, sind erhebliche weitere Innovationen erforderlich.

Eine zusätzliche Herausforderung, die Kunststoff-Nanocomposites neben der effektiven Dispergierung der Partikel und ihrer Stabilisierung in der dispersen Form an uns richten, besteht in der Herstellung und Handhabung der nanopartikulären Füllstoffe selbst. Es muss gewährleistet sein, dass diese nicht in die Atemluft und die Umwelt gelangen, was gegebenenfalls neue Konzepte erfordert. Einmal in der Kunststoffmatrix eingebunden, ist allerdings davon auszugehen, dass die mit der Nanoskaligkeit der Partikel möglicherweise verbundenen Gesundheits- und Umweltrisiken gering sind.

Insgesamt stellen Kunststoffe mit nanoskaligen Füllstoffen eine der derzeit größten Herausforderungen an die F&E im Bereich der Kunststoffe dar. Sie bergen, wie theoretische Überlegungen und vereinzelt auch bereits beeindruckende Praxisbeispiele belegen, ein immenses Potential im Hinblick auf innovative Materialien und Werkstoffe mit teils völlig neuartigen Eigenschaftskombinationen. Ihre intensive Erforschung erscheint damit unbedingt lohnend. Der verantwortungsvolle Umgang mit diesen Materialien erfordert jedoch parallel dazu auch die seriöse Bewertung der möglichen Risiken. Aus der Abwägung der verschiedenen Aspekte muss sich letztlich ergeben, wo diese faszinierenden neuen Kunststoffmodifikationen ihre Einsatzfelder finden werden.

Kunststoffmodifikationen mit nanoskaligen Partikeln - Vita Prof. Dr. Matthias Rehahn