Funktionelle Füllstoffe in Thermoplaste und deren Möglichkeiten Überblick und Eigenschaften für die Kunststoffverarbeiter Fachtagung Mitteldeutscher Kunststofftag Erfurt, 27. Mai 2009
Ziel Füllstoffmodifiezung von Standardkunststoffen für spezielle Anwendungen mittels Compoundierung Vorbild Natur Verstärkung Unsere knorpelähnlichen weichen Knochen als Babys werden durch Einlagerung von Kalk steifer und fester Pflanzen verändern ihr Cellulosestruktur durch Einlagerung von Mineralien an spannungssensiblen Bereichen Abgrenzung Nicht eingegangen wird hier auf die Möglichkeiten der Modifizierung mit: * Fasern (z.b. Glasfasern, Synthesefasern) * Pigmente
Organische Füllstoffe natürlich Holzmehl Naturfasern Stärke Chitosan synthetisch Verbindungen Melamincyanorat Halogenverbindungen Phosphorverbindungen Polymere Duromere PTFE PET Aramidpulpe UHMPE Mikrospheres Silicon Acrylate bromierte Polymere
Anorganische Füllstoffe metalisch nichtmetallisch Ferrite Bronze Wolfram Aluminium synthetisch natürlich Talkum Kreide BaSO4 Wollastonit Dolomit Kaolin Glimmer Quarz usw... Glaskugeln gefällte Kreide BaSO4 Russ Nanotubes Kieselsäure MoS2 Graphit Sb2O3 Mg(OH)2 Al2O3 Roter Ph CaO usw...
Partikelgrößen verschiedener Füllstoffe Partikelgröße in µ m Füllstoff >1000 >100 >10 >1 >0,1 >0,01 >0,001 Holzmehl Melamincyanorat PTFE Bronze Glaskugeln Talkum Kreide Kieselsäure Russ Nanotubes
Einsatzkonzentration von Füllstoffen bei der Spritzgussverarbeitung Einsatzkonzentration in % Füllstoff >1 20 40 60 80 100 Holzmehl Melamincyanorat PTFE Ferrite Glaskugeln Talkum Kreide Mg (OH)2 CaO Wollastonit Roter Phosphor Kieselsäure Russ Nanotubes
Weitere Einflussgrößen der Füllstoffe * Kornform Füllstoff Glaskugeln Mikrospheres Holzmehl Nanotubes Wollastonit Talkum Kreide CaO Russ Kornform Kugel Hohlkugel fasrig Faser nadelförmig blättchenförmig kantige Gestalt kantige Gestalt Agglomerate Coating Feuchtigkeit Dispergierung Scherung Temperaturbeständigkeit Polymermatrix Fließverhalten
Eigenschaftsverbesserung mit ausgewählten Füllstoffen Opti-Polymers Eigenschaft Füllstoff Polymer Mecha. Eigenschaften Steifigkeit, Biegefestigkeit, Härte, Kratzfestigkeit, Kriech- Modul Schlagzähigkeit Thermische Eigenschaften HDT, Vicat, Wärmelagerungstemperatur Längenausdehnungskoeffizient Brandverhalten Brandprüfung UL94 Glühdrahtfestigkeit Brandgeschwindigkeit Abtropfverhalten bei Brand Elektrische Eigenschaften Leitfähigkeit Durchschlagsfestigkeit Kriechwegbildung Talkum, Kreide, BaSO4, Holzmehl Glaskugeln, Kaolin, Glimmer, TiO2, Wollastonit, Al2O3 Submikro-Kreide Kaolin, Glimmer, MoS2 Talkum, Kreide, BaSO4, Glaskugeln, Kaolin, Glimmer, Wollastonit, SiO2 SB2O3, bromierte Polymere, Halogenverbindungen Roter Ph, Mg(OH)2, Melamincyanorat, Ph-Verbindungen PTFE; Aramid Holzmehl Russ Nanotubes (SKZ Mai 2008) Mg(OH)2 PE; PP, EVA, HIPS PP, ABS, ASA, PC/PBT, PC, PA, POM, PBT PLA PA PA GF; PBT GF ABS, PP, PA, PBT, PC/PBT, POM, LCP, PPS PS, PE, PP, PA; ABS, ASA, PC, PC/ABS, BPT PA6 und PA6.6 PA6, PP PA6 PP, PBT, PC PA, PBT PP, PE PE, PP, PA, PC PE, PP, PS, PA, PC PP, PA6
Eigenschaftsverbesserung mit ausgewählten Füllstoffen Opti-Polymers Eigenschaft Füllstoff Polymer Dichte -Reduzierung Dichte -Steigerung Mikrosheres (Fa. KCD/Weimar) BaSO4, Bronze, EVA, PO, PS PE, PP, PS, ABS Ferrite, Kreide, Talkum Restfeuchte -Absorber CaO PE, PP, PA Feuchte -Absorber Stärke PE, PP, EVA Gleitmittel und Entformungsmittel Haptik Nukleierung und Zykluszeitverkürzung Geruchsabsorber Korrosionsschutz Superabsorber MoS2, PTFE, Aramid -Pulpe Glaskugeln, UHMPE Kieselsäure, Silikon Glaskugeln, PET, SiO2 BaSO4, Ferrite Org. Salze, PET, Feinst -Talkum Poröse Kieselsäure Schichtsilikate CaO Org. Salze TPE, EVOH PP, PA, PBT, TPE PP, PA, PBT, ABS, POM PP, PA, ABS, PBT, POM PP, PE TPE PP, ABS HDPE, PP, PBT, PA, PLA PO-Recyclate Für Maschinen VCI-Folien Röntgenkontrastmittel BaSO4 Alle Polymere Röntgenstrahle nabsorbtion Wo HDPE Magnetische Eigenschaften Ferrite EVA, PO Lackierung / Bedruckung SiO2, Schichtsilikate PE, PP, PS, ABS Gasdurchlässigkeit BaSO4, Talkum, SiO2 biachsiale Folien Mattierung Talkum, SiO2, BaSO4 Acrylate (Degussa 2003) Folien und Spri tzguss Spritzguss <200 C
Eigenschaften von PP TV40 verschiedener Talkumtypen bei 40% Füllstoffgehalt Eigenschaft Norm Talkumtypen Talkum-Typ D50 in µm - 7 2,4 1,4 Füllgrad in Gew.-% 0 40 40 40 PP-H 100 60 60 60 Zugfestigkeit (MPa) DIN EN ISO 527 30 31 33 34 Bruchdehnung (%) DIN EN ISO 527 > 50 6,7 4,3 3,9 Zug- E.-Modul (MPa) DIN EN ISO 527 1650 5000 5700 6200 HDT/A ( C) DIN EN ISO 75 53 82 89 91 Vicat B50 ( C) DIN EN ISO 306 96 108 110 111 Dichte (g/cm³) DIN 53479 0,90 1,26 1,27 1,27 MPa 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Zug-E.-Modul von PP-H TV40 5700 6200 5000 1650-7 2,4 1,4 Talkum-Typ D50
Eigenschaften von talkumverstärkten PP-C bei unterschiedenen Konzentrationen mit Talkum D50 2,4µm PP-C Füllgrad Eigenschaft Norm Talkumtyp D50 2,4µm 100 88 80 70 0 12 20 30 Zugfestigkeit (MPa) DIN EN ISO 527 20 19 21 22 Bruchdehnung (%) DIN EN ISO 527 > 50 > 50 > 50 >25 Zug - E - Modul (MPa) DIN EN ISO 527 1275 1900 2600 3600 HDT/A ( C) DIN EN ISO 75 51 51 58 66 Vicat B50 ( C) DIN EN ISO 306 62 59 66 78 Dichte (g/cm³) DIN 53479 0,90 0,99 1,06 1,14 Eigenschaften bei steigenden Füllgrad von Talkum D50 2,4µm 10000 1275 1900 2600 3600 1000 100 10 0 12 20 30 Zug- E.- Modul (MPa) Vicat B50 ( C) HDT/A ( C) Bruchdehnung (%) Zugfestigkeit (MPa)
Röntgenstrahlenabsorbtionsmaterial für die Spritzgussverarbeitung Eigenschaft Einheit Norm PE PE WX-ray Bruchdehnung % DIN EN ISO 527 > 50 2,8 Zug- E.- Modul MPa DIN EN ISO 527 950 600 GWIT (2mm) C DIN EN 60695-2 650 850 Dichte g/cm³ DIN 53479 0,93 9,3 Bleigleichwert % - < 1 38 Dichte g/cm³ Röntgenstrahlenabsorbtionscompound Bruchdehnung % 1000 100 10 1 0,1 GWIT (2mm) C Bleigleichwert % PE PE WX-ray Zug- E.- Modul MPa
Halogen- und Ph-freies Polyamid Optimid PA 6 GFM50 FR 960 Eigenschaft Einheit Norm PA 6 natur Optimid PA 6 GFM50 FR 960 Zugfestigkeit MPa DIN EN ISO 527 82 > 105 Bruchdehnung % DIN EN ISO 527 > 50 > 2 Zug - E - Modul MPa DIN EN ISO 527 2800 > 8000 Kerbschlagzähigkeit kj/m² DIN EN ISO 179 6 > 8 Glühdrahtprüfung C DIN EN 60695-2 750 960 Brandverhalten bei 1,6 mm - UL 94 * V2 V0 * in Anlehnung UL 94 Anwendung Elektrobereich für 250V 1.000V Trägermaterial für elektrische Bauteile Grundkörper für Relais bis 1.000V Grundkörper für Kontaktsysteme bis 1.000V Gehäusematerial Sicherungssystemabdeckung Elektrische Geräte mit thermischer Belastung bis 200 C kurzzeitig Konsumgütergeräte mit Heizung (Trockenanwendung)
Fazit Die Anwendung von Füllstoffen zur Modifizierung von Standardkunststoffen ist meist eine Individuelle Lösung zum optimalen Werkstoffeinsatz und sichert ein breites Anwendungsspektrum der Kunststoffe in der Praxis. Mit der Entwicklung neuer Füllstoffe (z.b. Nano-Materialien) werden zusätzliche Eigenschaftsfelder erschlossen und neue Einsatzgebiete für Kunststoffe geschaffen. Anmerkung Vorschriften und Verordnungen (z.b. REACH) wirken sich auch auf gefüllte Kunststoffe aus. Der Entwicklungsbedarf für neue Füllstoffe ist nach wie vor auf einen hohen Niveau um aussortierte Füllstoffe in ihren Wirkungen zu ersetzen. Auch das In Zuge der BSE-Problematik wurde nach neuen Einsatzmöglichkeiten für Tiermehl gesucht. Einarbeitung in Polyolefine bis 30% problemlos! Projekt ist mit den Gestank bei der Verarbeitung gestorben.