CarboProtekt. Projektmotivation. Projektrahmendaten. April 2012

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1 April 2012 CarboProtekt Projektmotivation Das Ziel des Projektes CarboProtekt war die Entwicklung maßgeschneiderter Schaumstoffe über die Modifizierung mit Carbon Nanotubes (CNTs) insbesondere zur Verbesserung der mechanischen und Energieabsorbierenden Eigenschaften bei geringer Dichte. Dies kann erreicht werden, wenn es gelingt, CNTs in der Kunststoffschmelze zu dispergieren und diese aufzuschäumen. Untersuchungen bei ungeschäumten Polymeren wie auch Schäumen hoher Dichte zeigten deutliche mechanische Verbesserungen. Auch bei Partikelschaumstoffen war mit einer erheblichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch die Verstärkungswirkung in den Zellwänden zu rechnen. Ferner wurden mögliche Synergieeffekte mit nanoskaligen Füllstoffen wie Nano-Rußen oder Schichtsilikate in Kombination mit CNTs untersucht. Bei Untersuchungen mit Elastomeren wurden hier bereits deutlichen Erhöhungen des E-Moduls und der Festigkeit erzielt. Hier war bei Schaumstoffen ebenfalls mit einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Kennwerte im Vergleich zu ungefüllten Polymeren oder nur mit Nanoruß/ Schichtsilikaten gefüllten Polymeren zu rechnen. Projektrahmendaten Projektteam: Ruch Novaplast GmbH+Co.KG, Coperion GmbH, Jackon GmbH, Gala Kunststoff und Kautschukmaschinen GmbH, Thorsten Michel GmbH+Co.KG, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) Projektlaufzeit: Projektleitung: Thomas Doll, RUCH NOVAPLAST GmbH + Co.KG CarboProtekt Seite 1 von 7

2 wesentliche erzielte Ergebnisse 1. EPS-Entwicklung Die Zusammenführung der Vorteile des Extrusionsprozesses mit den Vorteilen des Seedprozesses (Autoklaveprozess) zur maßgeschneiderten Anpassung der Polymerstruktur an die Energieabsorption bei gleichzeitiger Ausnutzung der speziellen Eigenschaften der CNTs wurde erreicht. Abb1: EPS-Masterbatchherstellung und EPS-Seedprozess CarboProtekt Seite 2 von 7

3 Erreichung der derzeitig bestmöglichen Ergebnisse bezüglich Dispergierung von CNT s in Polystyrol. Abb2..5: Granulat, Zellstruktur, Dispergierung Es entstanden neuartige Prüfanlagen im Bereich der Abrasions- und Korrosionstests, welche heute zur Ermittlung der Abnutzungserscheinungen an Schäumwerkzeugen und der Weiterentwicklung des Rohstoffes genutzt werden. CarboProtekt Seite 3 von 7

4 Die erzeugten Rohstoffe sind unter seriennahen Einsatzbedingungen zu Partikelschaumformteilen zu verarbeiten. Abb6: Helmsicherheitsbauteil aus CNT-Partikelschaum Abb7: Polsterkurve Referenzmaterial und CNT-Seed-Material Eine durchgängige Verbesserung der mechanischen Eigenschaften über die Bereiche niedriger Impact-Energie bis zu dem Bereich hoher Impact-Energie konnte nicht erreicht werden, aber es konnten zwei Materialtypen für diese zwei Anwendungsfelder qualifiziert werden. CarboProtekt Seite 4 von 7

5 Das LOW IMPACT CNT SEED bietet bis zu Fallmassen von 6kg eine Verbesserung der dynamischen Stoßbelastbarkeit von durchschnittlich 15-20%, das HIGH IMPACT CNT SEED entfaltet seine Stärken bei Fallmassen über 6,5kg mit Verbesserungen der dynamischen Stoßbelastbarkeit von bis zu 50%. Leider ist aber in diesem Anwendungsfeld eine durchgängige Belastbarkeit über den ganzen Fallmassenbereich erforderlich. Durch einen Mehrschicht-/Sandwichaufbau könnten die zwei Materialen aber zu einem Verbundpolster kombiniert werden, um eine durchgehend signifikante Verbesserung im Bereich von 10-15% Performancegewinn zu erreichen. Dem gegenüber stehen natürlich die höheren Aufwände für Materialherstellung, Materialvorbereitung, Schäumwerkzeugaufbau und Schäumprozess. Das Projektziel der Verbesserung um 25% wurde nicht erreicht. Derzeitig auch fragwürdige Marktchancen, da die mechanischen Eigenschaftsverbesserungen nicht im Verhältnis zu den Produktionskosten stehen. Die Verarbeitung (Vorschäumen und Ausschäumen), Dichteeinstellung, Zellstruktur etc. vergleichbar gut wie Referenzmaterial. Das Konsortium hat mit dem vorhandenen Know-How und den eingesetzten Anlagen/Prozessen das derzeitig optimale Ergebnis erzielt, größte Herausforderung für die Zukunft bleibt die Verbesserung der Dispergierung der CNTs. CarboProtekt Seite 5 von 7

6 2. EPP-Entwicklung Die Verfahrensentwicklung zur Herstellung von EPP im einstufigen Extrusionsprozess wurde erfolgreich abgeschlossen. Abb8: EPP-Herstellung und Partikelschaum CarboProtekt Seite 6 von 7

7 Weiteres Vorgehen Im Zuge der EPS-Materialentwicklung werden seitens RUCH im Bereich der Sicherheitsbauteile eine Marktanalyse und konkrete Gespräche mit Bestandskunden im Bereich der Helmlösungen durchgeführt. Zielsetzung sind die Ermittlung der Marktpotenziale und wirtschaftliche Sinnvolle Einsatzbereiche oder Weiterentwicklungsmöglichkeiten der CNT- Partikelschaumwerkstoffe. Im Bereich der EPP-Materialentwicklung werden weitere Versuche zur Konditionierung des Rohstoffes mit Wunscheigenschaften durchgeführt. Zielsetzung ist die Realisierung von EPP-Partikelschäumen mit alleinstellenden Merkmalen, die seitens der Rohstoffhersteller nicht angeboten werden können, oder wegen der relativ geringen Mengen nicht angeboten werden wollen. Es werden weitere Entwicklungsprojekte im Bereich der schäumbaren Polymere und in Kombination mit nanoskaligen Füllstoffen angestrebt. Das entwickelte Mehrstufen-Schäumwerkzeugkonzept zur Herstellung von Helmbauteilen wird seitens RUCH und MICHEL zur Serienreife weiterentwickelt. Veröffentlichungsliste [1] Wing Jahrbuch 2009 [2] Inside B, Hr. Dr. Axel Kauffmann [3] Nanospotlight , Hr. Thomas Doll [4] Newsletterbeiträge [5] Jahreskongresspräsentationen und Poster 2009, 2010, 2011, 2012 CarboProtekt Seite 7 von 7