Extrusion 4-2021

ren, sodass keine erwünschte überproportionale Steigerung des Eigenschaftsprofils bei geringen Füllstoffanteilen (< 5 Gew.- %) möglich ist [15]. Ein Lösungsansatz für eine entsprechende Separation der Schichten ist eine Dispergierung des Graphens bereits vor der Einarbeitung in die Kunststoffschmelze im Dop- pelschneckenextruder. Die kann beispielsweise über eine Ultra- schallbehandlung des Füllstoffs in einem Lösungsmittel erreicht werden [16]. Guardia et al. verwendeten unter anderem nicht- ionische Tenside mit dem Handelsnamen Pluronic P123 für die Exfolierung von Graphen mithilfe von Ultraschall [16]. Trotz Vordispergierung der Graphene und Optimierung der Com- poundierparameter verbleiben jedoch weiterhin Füllstoffagglo- merate in der Kunststoffmatrix [15]. Neben der Dispergierung der Nanofüllstoffe spielt die Kompati- bilität zwischen Füllstoff und Matrix im Hinblick auf die Leis- tungsfähigkeit des Materialverbundes ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Kompatibilität der kohlenstoffbasierten Füllstoffe mit einem Polyamid 6 (PA 6) kann durch den Einsatz eines Styrol- Maleinsäureanhydrid-Copolymers (SMA) gesteigert werden [17]. Der Styrol-Block des Copolymers interagiert mit den koh- lenstoffbasierten Füllstoffen und der Maleinsäureanhydrid- Block mit den Hydroxylgruppen der Polyamide. Des Weiteren zeigt die Untersuchung von Dedecker et al., dass das SMA mit den Amid-Gruppen des PA 6 eine kovalente Bindung eingehen kann und somit Pfropf-Copolymere durch reaktives Blenden entstehen [18]. Durch FT-IR-spektroskopische Analysen konnten die resultierende Imid-Bindung bei der Umlagerung der Amino- Gruppe des Amids im PA6 und die damit verbundene Carbon- säure detektiert werden [18]. Bislang ist unzureichend erforscht, wie eine homogene Disper- gierung des Graphens sowie gleichzeitig eine hohe Kompatibi- lität zur verwendeten Kunststoffmatrix im Aufbereitungspro- zess realisierbar ist. Vielversprechend ist allerdings die verfah- renstechnische Kopplung einer frühen Füllstoffeinarbeitung in die Monomerphase und die nachfolgende reaktive Extrusion im Doppelschneckenextruder [19]. Grundlage bildet die anioni- sche aktivierte Polymerisation vom Monomer Caprolactam zum PA 6. Die Dispergierung der Graphene ins niedrigviskose Mono- mer findet mittels einer vorgeschalteten Ultraschallbehandlung statt, wodurch eine homogene Benetzung der Füllstoffe und somit einer sehr guten Kompatibilität zwischen dem Graphen und der Kunststoffmatrix erreicht werden soll. Vorangegange- ne Untersuchungen am IKV befassten sich mit einer kontinuier- lichen Ultraschallvorbehandlung sowie dem Schneckendreh- 43 Extrusion 4/2021 zahleinfluss auf die Graphendispergierung während der reakti- ven Extrusion. Jedoch konnte bislang keine wesentliche Disper- gierungshomogenisierung der Graphene erreicht werden [12]. Lösungsansätze zur Kunststoffmodifizierung mittel Graphenen Aufbauend auf den erzielten Erkenntnissen zur kontinuierli- chen Einarbeitung von Graphen in das niedrigviskose Monomer thematisiert die vorliegende Veröffentlichung die Ultraschall- vordispergierung in einem diskontinuierlichen Prozess. Zusätz- lich wird ein passendes Lösemittel zur Anpassung der Oberflä- chenspannung dem Monomer beigegeben. Beide Maßnahmen zielen darauf ab, den Energieeintrag während der Vordispergie- rung zu erhöhen und damit eine Steigerung der Dispergierung der Graphene zu erreichen. Weiterführend werden Carbonfa- sern (CF) zugegeben, wodurch die Scherung im Doppelschne- ckenextruder erhöht und Synergieeffekte zwischen Nano- und Mikrofüllstoff erreicht werden soll. Ein weiterer Ansatz umfasst die Verbesserung der Anbindung zwischen Füllstoff und Matrix durch die Zugabe von SMA. Auf diese Weise sollen Anknüp- fungspunkte zur Kompatibilitätsverbesserung zwischen der Kunststoffmatrix und den Graphenen eingebracht werden. Verwendete Versuchsmaterialien Ausgangsmaterial für die Polymerisation von PA 6 im Doppel- schneckenextruder war ein Caprolactam vom Typ AP-Nylon der Firma Brüggemann Chemical KG, Heilbronn. Im Reaktionssys- tem wurden zusätzlich 1 Gew.-% C20P (Aktivator) und 3 Gew.- % C10 (Katalysator) von der Firma Brüggemann Chemical ein- gesetzt. Bei dem verwendeten Graphen handelte es sich um den Typ Nano Graphene Platelets (A.M.) der Firma Angstrom Materials Inc., Dayton, USA. Laut Hersteller liegt die Partikeldi- cke im Bereich von 10 bis 20 nm. Die spezifische Oberfläche beträgt mindestens 15 m²/g [20]. Weiterhin wurden SMA der Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, CF des Typs Tenax A HT C493 6 mm der Teijin Car- bon Europe GmbH, Heinsberg sowie Nyrim Additiv 6 Plus (Ny- rim 6) als Lösemittel der Firma Brüggemann Chemical KG, Heil- bronn eingesetzt. Methodischer Ansatz Zur Bewertung der Dispergierung und der Kompatibilität diente als Referenzmaterial ein reaktiv hergestelltes PA 6 mit einem Füllstoffanteil von 3 Gew.-% A.M.. Der pulverförmige Gra- phenfüllstoff wurde während der reaktiven Extrusion über ei- nen Sidefeeder zugegeben. Bild 2: Zugfestigkeit der Compounds in Abhängigkeit des Einflusses von Ultraschall- behandlungen, der Zugabe von SMA sowie der Zugabe von CF bezogen auf die Verwendung von 3 Gew.-% A.M. Referenz (A.M. über den Sidefeeder) Zugfestigkeit [MPa] 60 min Ultraschallbehandlung 60 min Ultraschallbehandlung, Nyrim 6 Zugabe von 1 Gew.-% SMA ohne A.M. Zugabe von 1 Gew.-% SMA Zugabe von 15 Gew.-% CF ohne A.M. Zugabe von 15 Gew.-% CF 60 min Ultraschallbehandlung, Nyrim 6, 1 Gew.-% SMA, 15 Gew.-% CF 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0