Keramik-Polymer-Nanocomposites – auf die Grenzfläche kommt es an

Nanocomposites, bestehend aus einer Polymermatrix mit eingebetteten Nanopartikeln, finden zunehmend Anwendungen. Sie kommen etwa im Leichtbau, als funktionale Beschichtungen oder in der Elektrotechnik zum Einsatz.

Basierend auf den Eigenschaften der Polymere ist die Auswahl der zu Grunde liegenden Matrix meist auf die entsprechende Anwendung bezogen. Beispielhaft ist auf dem Gebiet des Leichtbaus sowie in der Elektronik die Verwendung von Epoxidharzen stark verbreitet, da sie nach dem Aushärten hoch vernetzte amorphe Strukturen ausbilden, die zu günstigen Eigenschaften wie hoher Festigkeit, guter Chemikalienbeständigkeit sowie attraktiven elektrischen und thermischen Eigenschaften führen. Andererseits sind die entstehenden Materialien auch spröde und zeigen kaum Widerstand gegen Bruchinitiierung. Durch die Einbettung geeigneter Nanopartikel können diese nachteiligen Eigenschaften jedoch deutlich verbessert werden.

Autor: Prof. Dr. Georg Garnweitner

Gute Wahl: Keramische nanopartikuläre Füllmaterialien - hohe Härte, gute thermische und chemische Beständigkeit

Neben der Auswahl des nanopartikulären Füllmaterials – hier sind insbesondere keramische Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Härte sowie guten thermischen und chemischen Beständigkeit attraktiv – kommt der Grenzfläche eine entscheidende Rolle hinsichtlich der Eigenschaften des Nanocomposites zu. Während in den meisten Anwendungen die Stabilisierung gegenüber Agglomeration zur Vermeidung der Phasenseparation und zum Erhalt eines homogenen Nanocomposites beachtet wird, zeigte sich in jüngsten Studien an der Technischen Universität Braunschweig, dass für die erfolgreiche Entwicklung von Nanocomposites eine deutlich tiefergehende Betrachtung der Partikel-Polymer-Grenzfläche erforderlich ist.

Einbettung von Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln in Nanocomposites ermöglicht dielektrische Eigenschaften

In einer Grundlagenstudie wurden hierfür Zirkoniumdioxid* (ZrO2)-Nanopartikel mit Partikelgrößen von 4 nm eingesetzt, die sowohl attraktive mechanische Eigenschaften als auch dielektrische Eigenschaften aufweisen und damit für den Einsatz in Nanocomposites hoch interessant sind. Diese lagen zunächst agglomeriert vor und wurden durch die Anbindung organischer Verbindungen an die Oberfläche, die so genannte Oberflächenmodifizierung, stabilisiert.
Durch Verwendung einer Reihe unterschiedlicher Verbindungen, insbesondere einer Carbonsäure (Sorbinsäure, SA) sowie eines Phosphonats (Diphenylphosphat, DPP), konnten im Anschluss hochtransparente Nanocomposites bei verschiedenen Gewichtsgehalten an Nanopartikeln bis hin zu 16 Massenprozent realisiert werden (siehe Abbildung 1). Die hohe Transparenz kann durch die Kleinheit der Nanopartikel und deren sehr guter Verteilung im Polymer ohne Agglomeratbildung erklärt werden.

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 Abbildung 1: Epoxid-Nanocomposites mit verschiedenen Gehalten von 0-16 Massenprozent an SA-modifizierten ZrO2-Nanopartikeln
Quelle: TU Braunschweig, Garnweitner

Verstärkung von Epoxidharzen mit ZrO2-Nanopartikeln führt zur Verbesserung der Zugfestigkeit um über 12 Prozent

Die mechanischen Eigenschaften (ermittelt durch Zugversuche gemäß DIN EN ISO 527-1) zeigten sich jedoch als stärker von der genauen chemischen Zusammensetzung der Partikeloberfläche und somit von der genauen organischen Modifizierung abhängig. Während die Zugfestigkeit beim Einsatz von 2 Massenprozent an mit der Carbonsäure modifizierten ZrO2-Nanopartikeln um etwa 8 Prozent gesteigert wurde, ergab sich beim Einsatz von Phosphat-modifizierten Nanopartikeln eine Steigerung von über 11 Prozent. Noch deutlicher wird der Unterschied beim Vergleich des Elastizitätsmoduls der unterschiedlichen Nanocomposites (siehe Abbildung 2): während bei Sorbinsäure-modifizierten Nanopartikeln praktisch keine Veränderung im Vergleich zum reinen Polymer festzustellen war, wiesen die mit Diphenylphosphat-modifizierten ZrO2-Nanopartikeln verstärkten Epoxidharze beachtliche Steigerungen von über 12 Prozent auf.

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Abbildung 2: Elastizitätsmoduli von Epoxid-Nanocomposites nach Einbettung von SA- und DPP-modifizierten ZrO2-Nanopartikeln im Vergleich mit der unmodifizierten Epoxid-Polymermatrix | Quelle: TU Braunschweig | Garnweitner

Grenzfläche zwischen Nanopartikeln und Epoxidmatrix bestimmen mechanische Eigenschaften

Es zeigte sich somit, dass die mechanischen Eigenschaften wesentlich von der Grenzfläche zwischen den Nanopartikeln und der Epoxidmatrix bestimmt werden. Während in allen verglichenen Systemen homogen verteilte, nichtagglomerierte Nanopartikel ohne kovalente Anbindung an das Matrixnetzwerk vorlagen, wurden bei DPP-modifizierten Nanopartikeln wesentlich bessere mechanische Eigenschaften ermittelt. Dies wird auf die bessere chemische Kompatibilität mit der Matrix (deutlich stärkere chemische Ähnlichkeit) sowie die stärkere Anbindung der Phosphate an die Nanopartikel zurückgeführt.

Weitere Möglichkeiten bezüglich Einsatz, Anwendung, Design und Herstellung von Nanocomposites

Weitere Möglichkeiten bezüglich Einsatz, Anwendung, Design und Herstellung von Nanocomposites mit optimalen Eigenschaften durch definierte und optimierte Grenzflächen zwischen den einzelnen Komponenten erläutert Prof. Dr. Georg Garnweitner im Lehrgang Nanocomposites – Technologie der Polymer-Matrix-Nanocomposites, den die mtec-akademie in Stade anbietet.


Autor: Prof. Dr. Georg Garnweitner

* ZrO2: Zirkoniumdioxid (Zirconium(IV)-oxid) ist eine keramische Verbindung, auch bekannt als Zirkonoxid (Trivialname) oder den veralteten Bezeichnungen Zirkonsäure bzw. Zirkonerde.

Literatur
T. A. Cheema, A. Lichtner, C. Weichert, M. Böl, G. Garnweitner, "Fabrication of transparent polymer-matrix nanocomposites with enhanced mechanical properties from chemically modified ZrO2 nanoparticles", Journal of Materials Science 2012, 47, 2665-2674.
T. A. Cheema, G. Garnweitner, "Herstellung von Nanokompositen mit optimierten Eigenschaften aus chemisch maßgeschneiderten Nanopartikeln", Chemie Ingenieur Technik, 2012, 84, 301-308.

Seminarempfehlung zu Nanocomposites


Nanocomposites – Technologie der Polymer-Matrix-Nanocomposites


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