Kunststoffe sind aus heutiger Sicht nicht mehr aus unserem Leben wegzudenken. Die von Innovationen geprägte Wirtschaft im Bereich Kunststofftechnik entwickelt sich stetig weiter, um den hohen Ansprüchen der Industrie gerecht zu werden. Industrie 4.0 samt Prozessoptimierung, Digitalisierung und Automatisierung sind Aspekte, welche die Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren maßgeblich beeinflussen. Spritzguss, das wichtigste Herstellungsverfahren in der Kunststofftechnik, entwickelt sich nicht zuletzt durch das Setzen neuer Standards immer weiter.
Innovationen im Bereich der Spritzgussmaterialien erweitert die Anwendungsgebiete zusätzlich und schaffen so nicht nur Lösungen für bestehende Anforderungen, sondern erschließen auch neue Anwendungsfelder. Neben der Synthese neuer Polymertypen und der Optimierung der Recyclingfähigkeit bestehender Typen, steht die Herstellung von Polymerblends mit innovativen Füllstoffen im Mittelpunkt der Materialforschung.
Inhaltsverzeichnis
- Nanofüllstoffe – High-Tech Innovation sprengt Grenzen der Machbarkeit
- Elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile – Die Stahlfaser macht es möglich
- Fazit
Nanofüllstoffe: Hightech-Innovation sprengen Grenzen der Machbarkeit
Die Verwendung von herkömmlichen Additiven wie Kreide, Ruß, Talk oder Glasfaser ist schon längst ein wichtiger Bestandteil der Kunststoffindustrie. Diese sogenannten Mikrofüllstoffe bzw. Makrofüllstoffe werden in der Regel zur Modifizierung mechanischer Eigenschaften verwendet, um beispielsweise die Festigkeit zu erhöhen. Im Bereich von 15-50 Vol.% Anteil werden diese Füllstoffe dem Kunststoff beigemischt und bewirken, je nach Art und Anteil, unterschiedliche Eigenschaftsänderungen. Dem gegenüber steht die markante Abnahme der Bruchzähigkeit sowie der Transparenz.
Eine kompromisslose Eigenschaftsverbesserung kann der Einsatz von Nanopartikeln bewirken. Seit längerem im Laborbetrieb verwendet, gewinnen diese Hightech-Füllstoffe langsam auch in der Industrie an Bedeutung. Dabei unterscheiden sich die Nanofüllstoffe vor allem durch die Größe und Form der einzelnen Partikel. Zwei der wichtigsten Nanofüllstoffe für die Industrie sind die Carbon-Nanotubes sowie die Schichtsilikate.
Carbon-Nanotubes
Die High-End Nanofüllstoffe in der Kunststofftechnik sind die sogenannten Carbon-Nanotubes. Diese aus Kohlenstoffatomen bestehenden Molekülröhrchen werden beim Verarbeiten als Füllstoff dem Kunststoff beigemischt und verbessern unter anderem die mechanischen Eigenschaften des Materials ohne dabei die Grundeigenschaften wesentlich zu verschlechtern. Grund dafür ist die optimale Einbettung der Füllstoffpartikel in die Kunststoffmatrix. Aufgrund der höheren Herstellungskosten wurden Carbon-Nanotubes in der Industrie bislang nur in geringen Mengen verarbeitet.
Abbildung 1: Bildliche Darstellung von Carbon-Nanotubes, Quelle: [Promotive/shutterstock.com]
Schichtsilikate
Dieser in der Natur vorkommende Rohstoff kann als Nanofüllstoff enorme Eigenschaftsverbesserungen von Kunststoffmaterialien bewirken. Der plättchenförmige Füllstoff verbessert bei entsprechender Dosierung das Brandverhalten von Kunststoffen positiv, indem die Barriereeigenschaften verbessert werden. Das für die Lebensmittelindustrie sehr wichtige Diffusionsverhalten wird durch Schichtsilikate ebenfalls verbessert, sodass flüssige bzw. gasförmige Medien langsamer durch den Kunststoff diffundieren.
Abbildung 2: Barrierewirkung von Nanoschichtsilikaten [Quelle: https://wiki.polymerservice-merseburg.de]
Stahlfaser- breite Anwendungsgebiete für Kunststoffspritzguss
Seit der Erfindung industriell verwendbarer Kunststofftypen verdrängt dieser in diversen Anwendungen den seit jeher etablierten Werkstoff Metall. Die gänzlich unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Werkstoffe macht eine Kombination von Metallen und Kunststoffen für viele Anwendungen interessant. Durch die Zugabe von Stahlfasern im Vol.% Anteil von 5-20% können Kunststoffbauteile spezielle Eigenschaften von Stahl mit jenen von herkömmlichen Kunststoffbauteilen kombinieren und neue Anwendungsfelder erschließen.
Folgende spezielle Eigenschaften für technische Bauteile ergeben sich:
- Elektromagnetische Abschirmung (EMI/RFI)
- Elektrostatische Entladung (ESD)
- Wärmeleitfähigkeit
- Elektrische Leitfähigkeit
Die (EMI/RFI-)Abschirmung ist vor allem bei Anwendungen mit sensibler Elektronik erforderlich. Meist durch eine Kunststoffabdeckung vor mechanischen Einwirkungen geschützt, ist die Technik hinter dem Kunststoffbauteil keineswegs vor elektromagnetischen Störungen abgeschirmt. Entsprechend dieser Anforderung werden Kunststoffbauteile mit einer speziellen Kupferbeschichtung versehen. Diese Form der Nachbearbeitung ist bei einer Serienfertigung aufwendig und enorm kostenintensiv.
Die Lösung dafür: neue faserverstärkte Kunststoffmaterialien mit bis zu 20% Stahlfasern. Sie erfüllen die nötige Abschirmung ohne zusätzliche Beschichtung. Branchen, in denen sich besonders interessante Anwendungsfälle aufgrund dieser Materialeigenschaft ergeben sind unter anderem die Wehrtechnik, Medizin sowie die Luftfahrtindustrie. Für Steuergeräte in Drohnen, Autos oder bei medizinischen Geräten muss eine abgeschirmte Umgebung geschaffen werden, die einen möglichst störungsfreien Betrieb garantieren kann. Der Einfluss von elektromagnetischen Strahlen auf elektronische Geräte kann diese derart beeinträchtigen, dass es im schlimmsten Fall zu einem Systemausfall kommt. Je nach Anwendungsgebiet können Systemausfälle dieser Art gravierende Konsequenzen für Mensch und Umwelt bedeuten.
Abbildung 3: Kunststoffgehäuse / Schirmung auf Basis von Kupferpartikeln
Kunststoffbauteile mit EMV-Eigenschaften werden, unter anderem, in folgenden Branchen eingesetzt:
- Wehrtechnik: Navigationssysteme und Telekommunikation
- Messtechnik: Mess- und Prüfgeräte mit sensibler Elektronik
- Kommunikation: Smartphones, Laptops etc.
- Automotive: Steuerelektronik, Infotainment, Sensorik
- Gesundheitswesen: Diagnostikgeräte und Health-Monitoring
Überall dort, wo Wärme in einem engen Raum entsteht, muss diese auch abgeführt werden. Großen Scheinwerfer zur Beleuchtung von Hallen beispielsweise generieren viel Hitze. Hinzu kommt, dass die kleine Bauweise moderner Scheinwerfer, eine gute Wärmeabfuhr zwingend notwendig macht. Herkömmliche Kunststoffteile im Scheinwerfer wirkend dabei wärmeisolierend, wodurch die Kühlung des Scheinwerfers beeinträchtigt wird. Durch spezielle Kunststoffe mit Stahlfasern kann die Wärmeleitfähigkeit gesteigert werden und dazu beitragen, dass die Leistung, Lebensdauer und Effizienz von Leuchtquellen nicht durch zu hohe Temperaturen markant abnehmen.
Fazit
Neue Anforderungen erfordern neue Materiallösungen! Ohne Polymerblends wären heutige technische Bauteile nicht mehr realisierbar. Um auch zukünftig den Ansprüchen der Industrie gerecht zu werden, wird es sowohl im Materialsektor, als auch im Bereich der Füllstoffe und Additive neue Entwicklungen geben müssen. Können die Kosten für Nanofüllstoff weiter gesenkt werden, steht einer Anwendung im industriellen Stil nichts mehr im Weg. Full-Service Provider der Kunststofftechnik wie die Hintsteiner Group können in allen Bereichen unterstützen und Lösungen entwickeln, die den Anforderungen der aktuellen Zeit entsprechen.
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