Eine neue Definition von Verbundwerkstoffen?

Mit der Entwicklung der Verbundwerkstofftechnologie sollte auch unser Verständnis davon, was Verbundwerkstoffe sein können und was sie bieten können, weiterentwickelt werden.

Dieser Blog entstand aus einer Pressemitteilung, die ich von IntegriCo Composites (Sarepta, La., U.S.) erhalten habe, das Eisenbahnschwellen und Baumatten aus Verbundwerkstoff herstellt. Als ich mir ihre Pressemitteilung und ihre Website ansah, die sich beide auf das Recycling und die Umwandlung von Kunststoffabfällen in nachhaltige Endprodukte mit verbesserter Leistung konzentrierten, wurde mir klar, dass es sich um eine 100%ige Kunststofftechnologie handelt. Also schrieb ich zurück und sagte:"Ihre Definition von Composite stimmt nicht mit unserer überein." Aber ich habe mich getäuscht.

Wie aus einer Mischung ein Komposit wird

Was ist die Definition eines Verbundwerkstoffs ?

Ich erklärte, dass IntegriCo zwar behauptet, dass es sich bei seinen Produkten um Verbundwerkstoffe mit überlegenen Eigenschaften handelt, es sich jedoch in Wirklichkeit um eine Legierung handelt — eine geschmolzene Verschmelzung von Kunststoffen. Es gibt keine Faserverstärkung und nicht mehr als ein identifizierbares Material im Endprodukt.

Brian Arkwood, Chief Technical Officer von IntegriCo, wollte anderer Meinung sein und erklärte, dass die Produkte von IntegriCo eine Mischung aus zwei oder mehr Arten von Materialien sind, die eine einzigartige Identität bewahren und durch Verarbeitung entwickelt und konstruiert werden, um überlegene Eigenschaften und Leistung zu liefern. „Erlauben Sie mir, das klarzustellen“, sagte er.

Unser Verfahren verwendet eine Mischung aus HDPE (Polyethylen hoher Dichte) und LDPE (Polyethylen niedriger Dichte) sowie Polypropylen und Polystyrol. Dies ist beabsichtigt, da jedes dieser unterschiedlichen Polymere zu den Gesamteigenschaften des Endprodukts beiträgt. Wir können die Eigenschaften des Endprodukts manipulieren und/oder ändern, indem wir die Mengenverhältnisse der einzelnen Kunststoffe und/oder die Verarbeitung der Gesamtmischung ändern. Die unterschiedlichen Kunststoffe werden jedoch nicht nur miteinander verschmolzen.

Hier wird diese Mischung als Komposit differenziert:

„Die nicht schmelzenden Kunststoffe mit höherem Molekulargewicht (HMW) werden durch das kontinuierliche Polymer der Kunststoffe durchsetzt, die oberhalb der Schmelzetemperatur verarbeitet werden. Beim Abkühlen dieser Mischung durchlaufen die Kunststoffe den Prozess der Nukleation. Die Rate und der Prozess der Nukleation werden durch die Verarbeitungstemperatur, die Abkühlrate und die anschließende Beladung mit einem Nukleierungsmittel gesteuert. Dieses Mittel ist eine von IntegriCo entwickelte Chemikalie und wird nur in unserem Verfahren verwendet.“

“Wenn die Keimbildung stattfindet, wird die Gesamtkristallinität der Kunststoffmischung manipuliert und die nicht schmelzenden HMW-Polymere werden zwischen den kovalent gebundenen Polymerketten verschränkt. Die Polymere werden auch durch Scherspannung manipuliert, um die Viskosität während des Formens zu verringern, um eine bessere Wechselwirkung und Verschränkung von nukleierten Polymeren mit den nicht schmelzenden Polymeren zu fördern.“

Keimbildung, Kristallinität und kontrollierendes Seitenverhältnis

Für mich sind die Schlüsselkonzepte hier Nukleation (der beginnende Prozess der Kristallbildung), Kontrolle der Kristallinität (Verwaltung der Kristallbildung) und Manipulation des Prozesses, um eine bessere Schnittstelle zu erreichen zwischen den verschlungenen nukleierten Polymeren und nicht schmelzenden Polymeren. Der letzte Punkt ist bei Verbundwerkstoffen wirklich entscheidend, denn ohne eine gute Schnittstelle zwischen den verschiedenen Materialien gibt es keine effektive Lastübertragung und keine überlegene Leistung.

Denken Sie auch daran, dass im wachstumsstarken Bereich der thermoplastischen Verbundwerkstoffe die Polymere mit höheren mechanischen Eigenschaften sowie einer höheren Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit teilkristallin sind. Diese teilkristallinen Eigenschaften werden durch die Steuerung der Kristallinität erreicht und angepasst, am typischsten durch die Temperatursteuerung während der Verarbeitung.

IntegriCo Verbund-Eisenbahnkreuzungen bieten eine Möglichkeit, Kunststoffabfälle in einem Verbundprodukt mit überlegener Leistung wiederzuverwenden, bei dem länglicher hochschmelzender Kunststoff eine niedrigschmelzende Kunststoffmatrix verstärkt. QUELLE | IntregiCo-Verbundwerkstoffe

Bei der Beschreibung von Arkwood dachte ich auch an selbstverstärkte Kunststoffe (SRP) , wie Pure, Curv, Armordon, Tegris und das jüngste, das BIO4SELF-Projekt, das 2019 mit dem JEC Innovation Award ausgezeichnet wurde. Typischerweise werden SRP-Verbundwerkstoffe hergestellt, indem ein Polymer mit niedriger Schmelztemperatur (PE-, PP- oder PLA-Biopolymer) verwendet und dieses mit einer Faser mit höherer Schmelztemperatur aus demselben Polymer verstärkt wird. Diese Verwendung von Polymeren mit hoher und niedriger Schmelztemperatur ist genau das, was IntegriCo tut. Also fragte ich Arkwood, ob die nicht schmelzenden Polymere mit höherem Molekulargewicht (HMW), die er verwendet, tatsächlich wie Fasern erscheinen/formen/verhalten ?

„Es bietet einige der gleichen Vorteile wie Fasern“, sagte er. „Wir ändern die Aspektverhältnisse der HMW-Polymere innerhalb der Polymermatrix, um die Eigenschaften des Produkts zu verbessern. Eine Erhöhung oder Verringerung der HMW-Polymere kann in Verbindung mit Änderungen anderer Betriebsparameter erhebliche Auswirkungen auf die plastischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Bruchmodul und Härte haben.“

Arkwood erklärt, dass IntegriCo Polymerverhältnisse und Betriebsparameter modifizieren kann, um spezifische Kundenanforderungen zu erfüllen. „Wir haben dies mit Daten der zerstörenden Prüfung dokumentiert und haben eigentumsbezogene Anfragen von Kunden wie Union Pacific und der US-Armee erfüllt. Das Verhältnis von Polymeren – HMW zu LMW und linear zu nichtlinear oder stark verzweigt – spielt bei unseren Produkten eine Rolle, ähnlich wie die Faserverstärkung in anderen Kunststoffverbundprodukten, indem es die wichtigsten Leistungseigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Zähigkeit beeinflusst.“

Nachhaltigkeit

Als ersten Punkt liefert IntegriCo in der Tat eine bemerkenswerte Inspiration für die Verbundwerkstoffindustrie, da unser Planet mit Abfall zerstört wird. Mehr als 90 % des Plastiks werden weltweit zu Abfall und allein in den USA und Kanada werden jedes Jahr mehr als 34 Millionen Tonnen Plastik auf Deponien oder Verbrennungsanlagen verbracht. IntegriCo bietet eine echte Lösung durch das Recycling von gemischten Hartkunststoffen und typischerweise nicht recycelbaren Klassen 3-7, die China 2018 nicht mehr erhält identifiziert die Polymerbestandteile und die Recyclingfähigkeit aller Kunststoffe. Die Sorten 1 (PETE, PET) und 2 (HDPE) sind hochgradig recycelbar, und 5 (PP) wird gerade recycelt, während alle anderen Sorten einschließlich 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) und 7 (Sonstige) ) werden derzeit nicht recycelt. Somit macht IntegriCo einen Unterschied, indem es Abfälle von Deponien umleitet und in wertschöpfende Verbundprodukte umwandelt, die länger halten als Alternativen und im Laufe der Zeit weniger Abfall produzieren.

Nano-CMCs

Mein zweiter Punkt ist, dass sich die Technologie in dem, was ein Verbundstoff ist, weiterentwickelt. Ich glaube, dass dies bereits den Fortschritt der Verbundwerkstoffwissenschaft beeinflusst und ich möchte hoffentlich weitere Entwicklungen anregen. Was diese Erkenntnis bei mir auslöste, war Arkwoods Einsatz der Nukleation . Ich habe es sofort bei meiner jüngsten Forschung zu nanokeramischen Matrix-Verbundwerkstoffen (Nano-CMCs, siehe meinen Artikel über Nanokomposite vom Juli 2019) erkannt.

Dies ist aus einem Artikel vom November 2017, „Polymer- und Keramik-Nanokomposite für Luft- und Raumfahrtanwendungen“ :

" Nanokomposite sind die Materialien des 21. Jahrhunderts, die aufgrund ihrer multifunktionalen Fähigkeiten eine jährliche Wachstumsrate von 25 % aufweisen. … Durch die Möglichkeit, gewünschte Eigenschaften zu kombinieren, erweitern Nanokomposite ihre Potenziale in Luft- und Raumfahrtanwendungen und in zukünftigen Weltraummissionen. … Nanofüllstoffe erhöhen die Nukleationsfähigkeit durch Verbesserung der Grenzflächenwechselwirkung mit der Polymermatrix.“

Ich kann die Wachstumsrate von 25 % nicht bestätigen, aber es ist offensichtlich, dass Nanokomposite viel Potenzial bieten. In diesem Text wurde die Nukleation von Nanofüllstoffen diskutiert. Neu für mich war die Entwicklung von Nano-CMCs, bei denen eine Keramikmatrix tatsächlich nicht mit einer Faser oder einem Füllstoff, sondern mit einer anderen Keramik verstärkt wird, deren Nukleation und Kristallisation kontrolliert werden, um eine Verstärkung mit hohem Aspektverhältnis zu erzeugen.

In meinem Artikel über Nanokomposite vom Juli 2019 verwende ich eine Illustration aus dem Artikel von Paola Palmero aus dem Jahr 2015. „Strukturelle Keramik-Nanokomposite:Ein Überblick über die Eigenschaften und Synthesemethoden von Pulvern“ Beispiele für mikro- und nanoskalige Verbundwerkstoffe zu zeigen. A, B und C zeigen eine mikroskalige (mikronische) Matrix, die mit Nanopartikeln, Nanofasern bzw. Nanoplättchen verstärkt ist, während D sowohl abgerundete als auch Nanoverstärkungen mit hohem Aspektverhältnis aufweist. E und F veranschaulichen jedochzweiphasige und mehrphasige Nanokomposite , bei denen die nanoskaligen Keramiken nicht mischbar sind.

Abb. 1 Gängige Mikro-/Nano-Verbundstrukturen für keramische Materialien.
QUELLE | „Structural Ceramic Nanocomposites:A Review of Properties and Powders‘ Synthesis Methods“ von Paola Palmero.

Palmero beschreibt die in-situ Kristallisation von Zweitphasen auf der Oberfläche von Matrixpartikeln – dh die Matrix ist die erste Phase und eine andere Keramik die zweite Phase – als einer der Schlüsselprozesse bei der Herstellung von keramischen Nanokompositen. Nach der Kristallisation werden Größe und Form der keramischen Kristalle oder Körner gesteuert, was entscheidend ist, da diese die Schütteigenschaften des keramischen Verbundwerkstoffs bestimmen. Zum Beispiel ist bekannt, dass längliche Körner eine in-situ härtender Effekt. Palmero weist darauf hin, dass die Fähigkeit, die gewünschten nanostrukturierten Eigenschaften in diesen gesinterten Verbundwerkstoffen maßzuschneidern, von entscheidender Bedeutung, aber auch eine Herausforderung ist und eine strenge Prozesskontrolle während des Mischens, Formens, Sinterns und Verdichtens erfordert.

Eine ähnliche Illustration und Diskussion findet sich in Abb. 6 im Buch von Intechopen.com, Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites . Abschnitt 9.1.2 diskutiert die Mikrostruktur von Siliziumnitrid (Si₃ N₄ )/Siliciumcarbid (SiC) Nanocomposites, die durch Sintern (Heißpressen) hergestellt werden. Ihre Mikrostruktur enthält große längliche Partikel von β-Si₃ N₄ (Schnurrhaare), die von feineren Partikeln von β-Si₃ . umgeben sind N₄ mit Nadelformen. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme unten aus Abb. 7b zeigt diese Struktur bei 20.000-facher Vergrößerung.

Diese Querschnitte von zweiphasigen keramischen Nanoverbundwerkstoffen (links) und recycelten Kunststoffverbundwerkstoffen (rechts) sind eigentlich ziemlich ähnlich, obwohl sie sich stark von den Querschnitten herkömmlicher endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe unterscheiden.

QUELLE | Abbildung 7, Abschnitt 9.1.2 der physikalischen und metallurgischen Eigenschaften von faserverstärkten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen von Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová und Petr Jonšta (links) und Querschnitt der Verbund-Eisenbahnschwelle, IntegriCo Composites (rechts).

Vorteile von zwei- und mehrphasigen Verbundwerkstoffen

Warum ist das für die Verbundwerkstoffindustrie von Vorteil? Weil Materialwissenschaftler diese neue Definition von Verbundwerkstoffen verwenden, um einzigartige, maßgeschneiderte Kombinationen von mechanischen, thermischen, elektrischen und ablativen Eigenschaften zu erreichen . Das Naval Research Laboratory (NRL, Washington, D.C., USA) hat beispielsweise Siliziumnitrid-, Zirkoniumnitrid- und Titandiborid-Verbundstoffe sowie Verfahren zu deren Verstärkung mit zähen Fasern entwickelt. Diese feuerfesten Keramiken weisen eine hohe Festigkeit, thermische Stabilität und variable elektrische und thermische Leitfähigkeiten auf, die es ihnen ermöglichen, die Anforderungen von Hyperschall-Fahrzeugkomponenten zu erfüllen – etwas, das organische Polymerverbundwerkstoffe und selbst fortschrittliche Metalllegierungen nicht können.

Das NRL entwickelt auch eine additive Fertigungstechnologie, die Nanostrukturen in diese Materialien einbaut und die dielektrischen, thermischen und elektromagnetischen Abschirmeigenschaften mit einer höheren Auflösung als dies mit den derzeit verfügbaren Materialien möglich ist . weiter abstimmt . Auch wenn Sie mit den für diese Materialien geplanten Verteidigungsanwendungen nicht unbedingt einverstanden sind, könnten sie auch wertvolle Lösungen bieten für geplante Weltraumerkundung und Missionen zum Mars. Aber sie können auch neue Wege für voll biobasierte Verbundwerkstoffe eröffnen die hier auf der Erde nicht nur eine hohe Leistung bieten, sondern auch die Fähigkeit, dies nachhaltig und so zu tun, dass Materialien und Endprodukte mit weniger Energie und Ressourcen hergestellt und recycelt werden können.

Ich behaupte nicht, dass faserverstärkte Verbundwerkstoffe die Bühne verlassen oder sogar verblassen. Aber mit der Entwicklung der Technologie sollte auch unser Verständnis davon, was Verbundwerkstoffe sein können und was sie bieten können.