Kunststoff- und Kunststoff- und Kautschukmodifikationen mit nanoskaligen Partikeln

Die Modifizierung von Kunststoff- und Kautschukmatrices mit nanoskaligen Partikeln kann zu völlig neuen Eigenschaften führen, und zwar sowohl im Hinblick auf die mechanischen als auch auf die funktionalen Eigenschaften der Matrixmaterialien, die sich aus den besonderen Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften der Nanopartikel herleiten. Daher gilt die Nanotechnologie weltweit als ‚Enabler’ für innovative Produkte und Prozesse, als Zukunftstechnologie und als Schlüsseltechnologie: von der Nanotechnologie wird ein Innovationsschub in nahezu allen technischen Bereichen, besonders in der Produktions-, Automobil- und Energietechnik sowie in der I&K Technologie erwartet.

Allerdings stellt die Nanotechnologie heute noch große Herausforderungen für Forschung und Entwicklung dar, und zwar besonders hinsichtlich der Herstellung und Compoundierung von Nanopartikeln sowie der gezielten Verbesserung mechanischer Eigenschaften von Matrixwerkstoffen und der Generierung von bestimmten Funktionen in Verbindung mit Matrixwerkstoffen mit Hilfe von Nanopartikeln.

Nanopartikel* können sphärische, plättchenförmige und zylindrische Form aufweisen. Beispiele für nanoskalige Partikel sind SiO²-, TiO²-, ZnO²-Nanopartikel, Schichtsilikate (Montmorillonit) sowie Kohlenstoffnanoröhrchen (Single und Multi Wall Carbon Nanotubes SWCNT, MWCNT), aber auch organische bzw. hochmolekulare Partikel. Nanopartikel werden aus makroskopischen Strukturen durch Plasma- oder Laserablation in der Gasphase oder aus molekularen Strukturen in flüssiger Phase (Solphase) hergestellt. Eine wichtige Voraussetzung ist die Verhinderung der Agglomeration der erzeugten Nanopartikel bzw. die Sicherstellung der Delamination (exfoliation) der Schichtsilikate. Dies wird oft durch eine Modifizierung der Partikeloberfläche bzw. durch den Austausch der Kationen der Schichtsilikate gegen voluminöse organische Kationen sichergestellt; die Compoundierung der Nanopartikel und die gleichförmige Verteilung der Partikel, das Dispergieren unter Erhalt der Nanoskaligkeit ist entscheidend für den Erfolg in dem Composite mit der Polymermatrix. Nanoskalige Füllstoffe wirken in teilkristallinen Kunststoffen als heterogene Kristallisationskeime und bestimmen so die Morphologie der Composites.

Die bisher breiteste Anwendung haben Nanopartikel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften als Füllstoffe von Kunststoffmatrices gewonnen.
Ziele sind insbesondere die Erreichung einer hohen Steifigkeit und Festigkeit/Härte bei möglichst hoher Zähigkeit und hoher Wärmestandfestigkeit. Die Wirkung von Ruß und SiO² in Autoreifen ist seit langem bekannt. Aber auch zur Erhöhung der Temperaturstabilität von Kautschuken im Motorraum eröffnen Nanopartikel ganz neue Wege. Weitere Beispiele sind die Verstärkung der Polymermatrix mit Carbon Nanotubes (CNT) in Sportartikeln (Tennis- und Golfschläger) und die Verstärkung der Matrix in Carbonfaserverbundkunststoffen; solche Werkstoffe können in Fahrzeugen aller Art durch Substitution metallischer Werkstoffe zur Gewichtsreduktion und damit zur Treibstoffeinsparung führen.

CNT als Füllstoffe führen zu Composites mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (z. B. erreicht CNT-gefülltes Polyoxymethylen einen maximalen spezifischen Volumenwiderstand von 30 Ω cm), bei verbessertem Fließverhalten in der Schmelze und erhöhter Temperaturstabilität, ohne wesentlich an mechanischen Eigenschaften einzubüßen. Darüber hinaus weisen CNT-gefüllte Polymermatrices neben antistatischen Eigenschaften verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf und können zudem transparent sein.

Metalloxidpartikel in Farben und Lacken erhöhen die Kratzfestigkeit, bieten Verschleiß- und Korrosionsschutz und bewirken einen Antireflexeffekt und erhöhte UV-Absorption. Magnetische Nanopartikel in einer Polymermatrix können durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes und daraus folgende Erwärmung zu thermisch aktivierter Vernetzung führen.

Exfolierte Schichtsilikate als plättchenförmige Nanopartikel in Kunststoffmatrices verbessern den Brand- und Flammschutz und zeigen in Kunststofffolien hohe Barrierewirkung.

In diesem Zusammenhang müssen auch nanoporige hochmolekulare Schaumstoffe genannt werden, die ein gesteigertes Isolationsvermögen aufweisen und für den Leichtbau von Beutung sind. Nanoporöse Membranen (Nanofilter) können zur Wasserentsalzung und zur Eliminierung von Bakterien, Viren und Giftstoffen (Schwermetallsalze, Dioxine) aus verseuchtem Wasser eingesetzt werden.

Besondere Effekte lassen darüber hinaus Kunststoffmodifizierungen mit nanoskaligen Partikeln hinsichtlich ihrer funktionalen Eigenschaften erwarten. Dies ist heute noch eine besondere Herausforderung an Forschung und Entwicklung.
Polymere mit Metalloxidclustern als nanoskalige Füllstoffe, organisch-anorganische Hybridwerkstoffe, sollten besondere optische, elektrische und magnetische Eigenschaften aufweisen wie sie für Polymerelektronik, Speichermedien, Photovoltaik, organische Leuchtdioden (OLED), Displays und Sensoren erforderlich sind.

Zur Frage der Sicherheit von Nanopartikeln ist festzustellen, dass biogener, natürlicher und anthropogener Feinstaub (Aerosole) uns ständig umgeben. Nanopartikel, die in eine Matrix fest eingebunden sind, stehen als nanoskalige Partikel, die sich an Aerosole anheften könnten, nicht mehr zur Verfügung. Auch beim Gebrauch, also z.B. durch Abrieb, ist damit zu rechnen, dass die Nanopartikel nachhaltig an Matrixbruchstücken haften, also nicht als Nanopartikel freigesetzt werden. Dies ist allerdings für das jeweilige Produkt sicher zu stellen. Bei der Herstellung ist besonders auf die Freisetzung von Nanopartikel in die Umgebung zu achten. Daher erfolgt die Verarbeitung der Nanopartikel in der Regel in flüssigem Medium und/oder sogar in agglomerierter Form. Um das Gefahrenpotenzial von Nanopartikeln abschätzen zu können, müssen die Stabilität und Langlebigkeit der Partikel als Nanopartikel sowie ihr Verhalten in biologischen Systemen geklärt werden. Auf breiter Basis werden hierzu Studien durchgeführt, die dazu dienen, mögliche gesundheitliche und ökologische Gefahren, die von Produkten, die nanoskalige Partikel enthalten, ausgehen, zu minimieren.


*Nanopartikel haben mindestens in einer Dimension eine Ausdehnung kleiner als 100 nm, also kleiner als 1/10 000 mm oder kleiner als 1/1000 des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Kunststoff- und Kunststoff- und Kautschukmodifikationen mit nanoskaligen Partikeln - Vita Prof. Dr. Dr. h.c. Heinrich Hartwig Höcker