Schichtsilikat-Polymer-Nanokomposite

Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Dr. Matthias Grüne, Stefan Reschke

Werkstoffe auf Kunststoffbasis sind günstig, leicht herzustellen und bieten eine große Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten. Häufig ist es jedoch nötig, solche Kunststoffe durch Zugabe geeigneter Additive in ihren mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften deutlich zu verbessern. Schichtsilikate werden schon seit längerem als Füllstoffe in der Kunststoffindustrie eingesetzt, doch bieten sich durch die Verwendung von nanoskaligen Schichtsilikaten in den letzten Jahren neue Anwendungsmöglichkeiten. Die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit und Formbeständigkeit lassen sich enorm verbessern, während gleichzeitig das spezifische Gewicht niedrig bleibt. Schichtsilikat-Polymer-Nanokomposite weisen aber auch andere interessante Eigenschaften wie eine erhöhte Hitzebeständigkeit, eine deutlich verringerte Entflammbarkeit, eine hohe Beständigkeit gegenüber Chemikalien und gute Barriereeigenschaften gegenüber Gasen und Flüssigkeiten auf.

Schichtsilikate kommen weltweit in großen Mengen natürlich vor, können aber auch relativ einfach synthetisch erzeugt werden und sind daher günstig in der Herstellung. Die Grundbausteine ihrer Struktur sind Schichtpakete von rund einem Nanometer Dicke und mehreren zehn Nanometern Durchmesser. Diese Schichtpakete haften mit ihrer Grundfläche aneinander und bauen auf diese Weise dreidimensionale Strukturen auf. Man unterscheidet einfache Schichtsilikate wie Kaolinit (Kaolin) und Talk, in denen die Schichten nur durch elektrostatische Wechselwirkungen zusammengehalten werden, sowie Glimmer und Tonminerale, in denen zwischen den Schichten Kationen bzw. Wassermoleküle eingelagert sind. Durch diese Zwischenschicht entsteht eine stärkere Bindung zwischen den einzelnen Schichtpaketen und die Härte der Minerale erhöht sich. Durch einen Austausch der Zwischenschichtkationen bzw. –wassermoleküle ist es jedoch auch möglich, funktionelle organische Gruppen an die Oberfläche anzulagern und so für eine bessere Haftung zwischen Matrix und Füllstoff zu sorgen.

In den letzten Jahren wurden diese Vorbehandlungen mit organischen Substanzen beständig weiterentwickelt, sodass sich die Schichtsilikate mittlerweile leichter im Nanometermaßstab und sehr gleichmäßig in der Kunststoffmatrix dispergieren lassen. Eine homogene Verteilung der Nanopartikel in der Kunststoffmatrix ist entscheidend für eine Verbesserung der Kompositeigenschaften gegenüber dem reinen Kunststoff, denn bleiben Aggregate im Mikrometermaßstab zurück, verschlechtern sich die Eigenschaften häufig sogar.

In sogenannten interkalierten Kompositen sind die Zwischenschichtbereiche der Silikate stark aufgeweitet, so dass sich die Polymerketten dort einlagern können. Der Gesamtverbund des Schichtsilikats bleibt jedoch intakt. Interkalierte Komposite werden schon seit längerer Zeit erforscht und waren beispielsweise für den Einsatz in Energiespeichern im Gespräch. Bisher kam es jedoch zu keiner größeren Verwendung dieser Werkstoffe. Vorteilhafter sind sogenannte exfolierte Komposite, in denen die Schichtsilikate in Form einzelner Schichtpakete mit nur wenigen Nanometern Dicke vorliegen und dadurch ein besonders hohes Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser bzw. Breite und Dicke) aufweisen. Durch die große Grenzfläche zwischen Matrix und Silikat genügen schon geringe Füllgehalte von wenigen Gewichtsprozent, um die mechanischen Eigenschaften der Komposite gegenüber dem reinen Kunststoff erheblich zu verbessern. So erhöht sich beispielsweise die Zugfestigkeit von Polystyrol-Montmorillonit-Kompositen je nach Verteilung der Partikel und Oberflächenvorbehandlung um 70-560 %. Gleichzeitig steigt der Elastizitätsmodul auf das 7- bis 10-fache. Auch Abrieb- und Kratzfestigkeit von Oberflächen werden durch den Zusatz von Schichtsilikaten erhöht.

Durch ihre stark anisotrope Form sind die Schichtsilikatpartikel in der Polymer-Matrix nicht zufällig orientiert, sondern richten ihre Grundflächen parallel zueinander aus. Dadurch ergibt sich senkrecht zur Grundfläche der Teilchen eine enorme Barrierewirkung auf gasförmige Moleküle wie Wasser, Kohlendioxid, Luftsauerstoff oder Kohlenwasserstoffe. Auf dem Weg durch den Komposit werden diese auf einen sehr langen Pfad um die Silikatplättchen herum gezwungen, wodurch sich die Zeit, die sie für eine Durchquerung der Matrix brauchen, erheblich verlängert. So verringert sich die Durchgangsgeschwindigkeit von Sauerstoff in Nylon-6 durch Zugabe von fünf Gewichtsprozent nanoskaligen Tons um das Fünffache, während sich die Steifheit mehr als verdoppelt. Das ermöglicht dünnere Kunststoffverpackungen, beispielsweise für empfindliche Lebensmittel, die aber gleichzeitig eine bessere Schutzwirkung leisten. Komposite aus Nylon-6 und Schichtsilikaten kommen bereits als Verpackungsmaterial von kohlensäurehaltigen Getränken zum Einsatz, die dadurch deutlich weniger an Kohlendioxid verlieren und sich länger lagern lassen.

Die ausgezeichnete Barrierewirkung in Kombination mit der deutlich erhöhten thermischen und mechanischen Stabilität macht Polymer-Schichtsilikat-Nanokomposite auch für technische Anwendungen interessant. Für bestimmte Anwendungen sind sie genauso geeignet wie metallische Werkstoffe, weisen aber bei gleichen oder besseren Nutzeigenschaften ein geringeres Bauteilgewicht auf. Verwendung finden sie bereits in Treibstofftanks oder als Kabelummantelungen.

Daneben sind Schichtsilikate hervorragende Kandidaten als Füllstoffe für biologisch abbaubare Komposite. Sie sind nicht nur frei von umweltbelastenden Stoffen, sondern können unter bestimmten Bedingungen sogar den Abbau von kompostierten Kunststoffen beschleunigen. Die Prozesse, die dabei ablaufen, sind bislang noch nicht im Detail verstanden. Eine mögliche Anwendung könnten biologisch abbaubare Substrate für organische Solarzellen in transportablen Geräten sein.

Großes Potenzial besteht auch für die Anwendung von Kunststoff-Schichtsilikat-Kompositen als Werkstoffe im Bereich des Brandschutzes. Die schon beschriebene Barrierewirkung der Silikatplättchen führt zu einer Abschirmung gegenüber Hitzeeinstrahlung und schützt die Kunststoffmatrix vor zu großer Aufheizung. Außerdem behindern die Silikatpartikel die Beweglichkeit der Kunststoffketten, so dass sich beim Aufschmelzen weniger Tropfen bilden. Bei sehr großer Hitze zersetzen sich die Schichtsilikate zu Aluminosilikaten, die zur Oberfläche des Komposits diffundieren und dort eine zusätzliche Schutzschicht bilden.

Schichtsilikatverstärkte Kunststoff-Nanokomposite weisen bereits heute ein breites Anwendungsspektrum auf. Zwar ist noch weitere Forschung nötig, um die Vorbehandlung der Silikate und den Füllgehalt zu optimieren, doch hat es auf diesem Gebiet in den letzten Jahren große Fortschritte gegeben. Deshalb ist damit zu rechnen, dass sich in den nächsten Jahren noch weitere vielfältige Verwendungsmöglichkeiten auftun werden.

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