Kohlenstoff Nanofaser-verstärktes Polyetheretherketon

Kohlenstoff Nanofaser-verstärktes Polyetheretherketon
Motivation
Einleitung
Der Trend zu immer kleineren Bauteilen stellt eine große
Herausforderung für die kunststoffverarbeitende Industrie dar.
Längere Fließwege und dünnere Wandstärken schließen in
vielen Anwendungen den Einsatz herkömmlicher Verstärkungsstrukturen wie Glas- und Kohlenstofffasern aus. Hier setzen die
derzeit verfügbaren Nanomaterialien an, welche die mechanischen und physikalischen Eigenschaften selbst filigranster
Formteile verbessern können.
Optimierung des Eigenschaftsniveaus von teuren Hochleistungsthermoplasten wie Polyetheretherketon (PEEK)
durch den Einsatz von Kohlenstof f-Nanofasern (CNF)
Aus Größe und Struktur der Nanofasern insbesondere
verbessertes Verschleißverhalten von PEEK zu erwarten
(keine makroskopischen Abriebpartikel, CNF wirken als
Schmiermittel zwischen Verschleißpartnern)
Mechanische V erstärkung filligraner PEEK-Strukturen,
z. B. schmelzgesponnener Fasern
Zielsetzung
Erzielung homogen verteilter und dispergierter CNF in PEEKMasterbatches durch Schmelzeverarbeitung (Extrusion)
Carbon
Nanofibres
Ausrichtung der Nanofasern durch Orientierung der Matrix
während der Formteilherstellung (Spritzgießen und Faserschmelzspinnen)
Evaluierung der resultierenden mechanischen und
physikalischen Eigenschaften der Nanocomposites
unter besonderer Berücksichtigung der Matrixmorphologie
Nanocomposite Herstellung
PEEK
Evaluierung
Mechanische Eigenschaften
CNF
Doppelschneckenextrusion
Masterbatch: 0 - 15 Gew% CNF
Spritzgießen
Schmelzspinnen
NanocompositeFormteile
NanocompositeFasern
- geringe Schwindung
- gute Oberflächenqualität
Xc = Matrixkristallinität
- hohe Abzugsverhältnisse
- gute Oberflächenqualität
Homogene Verteilung und Dispersion
Orientierung der Matrix und der Füllstoffe
Mechanisches V erhalten der Nanocomposites spiegelt
Verstärkung durch CNF und induzierte Morphologievariationen wider
Materialien
Polyetheretherketon, Victrex 450G (Lehmann & Voss, HH)
Tribologische Eigenschaften
Kohlenstoff-Nanofasern, PR-19-PS (Applied Sciences Inc. USA)
a)
1 µm
b) 200 nm
REM-Aufnahme
TEM-Aufnahme
Charakterisierung
Mechanische und physikalische Eigenschaften der Nanocomposites
Prof. A.H. Windle
Dept. of Materials Science
University of Cambridge
Matrix Morphologie:
- Einfluss der CNF auf Kristallisationskinetik, Kristallstruktur,
Kristallinität und Orientierungen der Matrix
Füllstoffmorphologie:
- Dispersion und Orientierung
Signifikante Verbesserung der tribologischen Eigenschaften
von PEEK durch Zugabe von CNF
Zusammenfassung und Ausblick
Homogen dispergierte und orientierte Nanofasern führen zu
signifikanten V erbesserungen der mechanischen und
tribologischen Eigenschaften von Poly(etheretherketon)
CNF können Matrixmorphologie beeinflussen
Mechanische Verstärkung filligraner Strukturen (Fasern, Filme)
Literatur
J. Sandler et al., Comp. Part A 33 (2002), 1033-1039
J. Sandler et al., J. Mater. Sci. 38 (2003), 2135-2141
P. Werner et al., Wear (2004) in press
a)
Dr. M.S.P. Shaffer
Dept. of Chemistry
Imperial College London
Prof. Dr.-Ing. V. Altstädt
Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe
http://www.polymer-engineering.de
..
.
1 µm
REM-Aufnahme der Bruchfläche
eines mit 15 Gew% CNF gefüllten
Zugstabes
b)
20 µm
REM-Aufnahme der Bruchfläche
einer mit 5 Gew% CNF gefüllten
Faser
ENGINEERING
Universität Bayreuth
Germany
U N I V E R S I T Ä T B AY R E U T H