Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade Institut für Partikeltechnik TU Braunschweig. Partikeltechnik für Faserverbunde

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1 Partikeltechnik für Faserverbunde Prof. Dr.-Ing. Institut für Partikeltechnik TU Braunschweig

2 Partikeltechnik Erzeugen, Konditionieren, Formulieren, Verarbeiten und Charakterisieren von Partikeln Design innovativer Produkte und Systeme mit Partikeln in einem weiten Anwendungsfeld Rohstoffe Additive (Nano)Partikel Verfahren/Prozesse Maschinen/Apparate Formulierung Scale-up Maßgeschneiderte Produkte 2

3 Motivation Eigenschaftsverbesserung durch Nanopartikel in Faserverbunden Höhere Bruchzähigkeit Höhere Steifigkeit Höhere Festigkeit Geringerer Matrixschwund Maßgeschneiderte thermische und elektrische Leitfähigkeit 3

4 Kompetenzen der Partikeltechnik Mikroprozesse Vorgänge auf Partikelebene Grenzflächeneffekte Verfahren Maschinen Anlagen Methoden Formulierung Charakterisierung Modellierung Strukturbildung Produkte 4

5 Prozesskette Nanopartikelverstärkte Faserverbunde Partikelsysthetisierung Modifizierung Dispergierung Nanokomposit (Zwei Phasen) Drei-Phasen Faserverbund 5

6 Teilprozess Dispergieren Zerteilen Eintragen Benetzen Stabilisieren Funktionalisieren 6

7 Dispergiergeräte Dreiwalze Dissolver Rührwerkskugelmühle Kneter/Extruder Ultraschall- Homogenisator Hoch-Druck- Homogenisator Dispergierung 7

8 Kompetenzen der Partikeltechnik Mikroprozesse Vorgänge auf Partikelebene Grenzflächeneffekte Verfahren Maschinen Anlagen Methoden Formulierung Charakterisierung Modellierung Strukturbildung Produkte 8

9 Charakterisierung von Partikeln und Systemen Nanoindentation Rasterkraftmikroskopie Mikromechanische Eigenschaften Adhäsion und Anziehung 9

10 Kompetenzen der Partikeltechnik Mikroprozesse Vorgänge auf Partikelebene Grenzflächeneffekte Verfahren Maschinen Anlagen Methoden Formulierung Charakterisierung Modellierung Strukturbildung Produkte 10

11 Multi-Skalen-Betrachtung Mikroskala Primärpartikel Grenzflächen Funktionale Oberflächenmoleküle Mesoskala Partikelcluster (Agglomerate, Aggregate) Kompositpartikel Makroskala Systeme (z.b. Beschichtungen, Nanokomposite, Suspensionen) 11

12 Möglichkeiten der Stabilisierung von Partikeln gegen Agglomeration Repulsive Kräfte > Attraktive Kräfte Abstand > Abstand v.d.waals-kräfte elektrostatisch sterisch elektrosterisch 12

13 Elekrostatische Stabilisierung der Nanopartikel zur Vermeidung der Reagglomeration ζ - Potenzial [mv] α Al 2 O 3 DT 1200 Salpetersäure ph-wert [-] 13

14 Fließverhalten der Suspensionen bei unterschiedlichen ph-werten

15 Virtuelles Institut Nanotechnology in Polymer Composites Entwicklung und Herstellung maßgeschneideter Dispersionen Virtual Institute Dispergiergeräte: Nanotechnology in Polymer Composites ω 1 ω 3 ω 2 Dreiwalze Rührwerkskugelmühle Partikel: Al 2 O 3 (AluC evonik) 15

16 Prozess- und Eigenschaftsfunktion Prozess Material -Eigenschaften -Partikelgröße -Modifikation -Feuchte Formulierung -Trägerfluid -Konzentration -Additive Maschine -Dispergiergerät -Beanspruchung -Betriebsweise Prozessmodell Struktur Disperse Eigenschaften insbesondere Partikelgrößenverteilung Eigenschaftsmodell Funktion Anwendungstechnische Eigenschaften z.b. Festigkeit, Bruchzähigkeit, Leitfähigkeit 16

17 Benetzung Tensiometer Waage 17

18 Einfluss der Benetzungseigenschaften auf das Dispergierverhalten Kontaktwinkel [ ] ω 1 ω 3 ω 2 Kontaktwinkelmessung Alu C Glycerin LY 556 L135i Trägerfluid Partikelgröße x 50 [nm] Epoxidharz L135i T = 65 C Epoxidharz LY 556 T = 80 C Glycerin T = 60 C Dreiwalze S 1 = 5 µm S 2 = 10 µm c m = 0,25 v rel = 0,186 m/s 140 Viskosität: 120 γ = /s η = 72 mpa spezifische Energie E m [kj/kg] Ergebnisse 18

19 Einfluss der Oberflächenmodifizierung auf die Produktfeinheit (Dreiwalze) 220 Partikelgröße x 50 [nm] Alu C Alu C 805 ω 1 ω 2 ω 3 LY556 AluC 805 > Spezifische Energie E m [kj/kg] Dreiwalze: g 1 = 5 µm g 2 = 10 µm c m = 0,25 v rel = 0,186 m/s Epoid Harz LY 556 Fluid Partikel Kontakt- Winkel LY556 AluC

20 Einfluss von Trägerfluid (Harz oder Härter) und Dispergiermethode Partikelgröße x 50 [nm] ω 1 ω 2 ω 3 Dispermat SL Harz LY 556 (95 C) AluC Härter HY 917 (45 C) AluC Dreiwalze Harz LY 556 (95 C) AluC Härter HY 917 (45 C) AluC spezifische Energie E m [kj/kg] Druckgrenze = 3 bar Ergebnisse 20

21 REM Aufnahmen Partikelabstand Partikelgrößen Ergebnisse 21

22 Fazit und Ausblick Die Partikeltechnik stellt die Prozesse und Methoden bereit, um gezielt Strukturen mit Nanopartikeln herzustellen: Partikelproduktionstechnik (Top-down, Bottom-up) Partikelkonditionierungstechnik Partikelformulierungstechnik Partikelsystemtechnik. Grenzflächen und damit Wechselwirkungen der Partikeln mit der Umgebung bestimmen wesentlich Struktureigenschaften Das Dispergierergebnis hängt entscheidend von der Partikelkonditionierung und Formulierung ab. Ausblick Durch Anwendung partikeltechnischer Methoden sollen in Zukunft Faserverbunde mit verbesserten und/oder neuartigen Funktionen hergestellt werden

23 Danksagung Virtual Institute Nanotechnology in Polymer Composites Assistenten des Insituts für Partikeltechnik, insbesondere Dipl.-Ing. Hendrik Nolte und Dipl.-Ing. Carsten Schilde