Verbundwerkstoffe neu erfinden: Nachhaltige Materialien für die Zukunft

Mit der Entwicklung der Composites-Technologie sollte auch unser Verständnis wachsen, was Composites sein können und was sie bieten.

Dieser Blog entstand aus einer Pressemitteilung von IntegriCo Composites (Sarepta, Louisiana, USA), Hersteller von Composite-Bahnschwellen und Baustellenmatten. Deren Fokus auf Recycling und Umwandlung von Plastikmüll in nachhaltige, leistungsgesteigerte Endprodukte ließ mich zunächst an eine 100%-Kunststofftechnologie denken. Ich schrieb zurück: „Eure Composite-Definition passt nicht zu unserer.“ Ich lag falsch.

Wie ein Gemisch zum Composite wird

Was ist die Definition eines Composites?

Ich erklärte, dass IntegriCo zwar Produkte mit überlegenen Eigenschaften als Composites bezeichnet, es sich aber um eine Legierung handelt – eine geschmolzene Amalgamation von Kunststoffen. Keine Faserverstärkung, nicht mehr als ein identifizierbares Material im Endprodukt.

Brian Arkwood, CTO von IntegriCo, widersprach: IntegriCo-Produkte seien Gemische aus zwei oder mehr Materialtypen, die ihre einzigartige Identität behalten, durch Verarbeitung designed und engineered für überlegene Charakteristiken und Performance.

Unser Prozess nutzt Gemisch aus HDPE (High Density Polyethylen) und LDPE (Low Density Polyethylen) sowie Polypropylen und Polystyrol. Jedes dieser unterschiedlichen Polymere trägt gezielt zu den Endprodukteigenschaften bei. Wir können Eigenschaften durch Variation der Polymeranteile und/oder Verarbeitungsparameter steuern. Die Kunststoffe werden nicht einfach zusammengeschmolzen.

Hier wird das Gemisch zum Composite differenziert:

„Die höhermolekularen (HMW) Kunststoffe, die nicht schmelzen, werden in den kontinuierlichen Polymer der geschmolzenen Kunststoffe eingestreut. Beim Abkühlen durchlaufen die Kunststoffe Nucleation. Rate und Prozess der Nucleation werden durch Verarbeitungstemperatur, Abkühlrate und anschließende Beladung eines Nukleationsmittels gesteuert. Dieses Mittel ist eine von IntegriCo entwickelte Chemikalie, nur in unserem Prozess verwendet.“

„Bei der Nucleation wird die Gesamtkristallinität des Kunststoffgemischs manipuliert und die nicht schmelzenden HMW-Polymere verheddern sich unter den kovalent gebundenen Polymerketten. Die Polymere werden zudem durch Scherspannung manipuliert, um Viskosität beim Formen zu reduzieren und bessere Interaktion und Verhedderung der nukleierten Polymere mit den nicht schmelzenden Polymeren zu fördern.“

Nucleation, Kristallinität und Steuerung des Aspektverhältnisses

Schlüsselkonzepte für mich: Nucleation (Beginn der Kristallbildung), Kontrolle der Kristallinität (Management der Kristallbildung) und Manipulation des Prozesses für bessere Grenzfläche zwischen verhedderten nukleierten Polymeren und nicht schmelzenden Polymeren. Letzteres ist entscheidend für Composites: ohne gute Grenzfläche kein effektiver Lasttransfer, keine überlegene Performance.

Erinnerung: Im Wachstumsbereich Thermoplast-Composites bieten halbkristalline Polymere höhere mechanische Eigenschaften sowie Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Diese halbkristallinen Eigenschaften werden durch Management der Kristallinität erreicht, typischerweise via Temperaturkontrolle während der Verarbeitung.

IntegriCo Composite-Bahnschwellen bieten Möglichkeit, Plastikmüll in überlegenes Composite-Produkt zu verwandeln, wo elongierte Hochschmelze-Polymere niederschmelzende Polymer-Matrix verstärken. QUELLE: IntegriCo Composites.

Arkwoods Beschreibung erinnerte mich an selbstverstärkte Kunststoffe (SRP) wie Pure, Curv, Armordon, Tegris und das jüngste BIO4SELF-Projekt (JEC Innovation Award 2019). Typischerweise SRP: niederschmelzender Polymer (PE, PP, PLA-Biopolymer) verstärkt mit höher schmelzender Faser desselben Polymers. Genau das macht IntegriCo: High- und Low-Melt-Polymere. Ich fragte Arkwood, ob die HMW-Nichtschmelz-Polymere tatsächlich wie Fasern auftreten/verhalten?

„Es ermöglicht einige der gleichen Vorteile wie Fasern“, sagte er. „Wir verändern Aspektverhältnisse der HMW-Polymere in der Polymermatrix, um Produkteigenschaften zu steuern. Erhöhung oder Verringerung der HMW-Polymere, gekoppelt mit Änderungen anderer Betriebsparameter, kann signifikante Effekte auf Elastizitätsmodul, Bruchmodul und Härte haben.“

Arkwood erklärt, dass IntegriCo Polymeranteile und Parameter an spezifische Kundenanforderungen anpassen kann. „Wir haben dies mit Zerstörungsprüfungen dokumentiert und eigenschaftsgesteuerte Anforderungen für Kunden wie Union Pacific und US Army erfüllt. Das Polymerverhältnis – HMW zu LMW, linear zu nicht-linear/hochverzweigt – spielt in unseren Produkten eine Rolle ähnlich wie Faserverstärkung in anderen Kunststoff-Composites, indem es Schlüsseleigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Zähigkeit beeinflusst.“

Nachhaltigkeit

Erster Punkt: IntegriCo liefert Inspiration, die die Composites-Industrie beachten sollte, da unser Planet durch Müll zerstört wird. >90 % Plastik wird weltweit zu Müll, >34 Mio. Tonnen/Jahr landen in US/Canada auf Deponien/Verbrennungsanlagen. IntegriCo recycelt gemischte starre Kunststoffe und typischerweise nicht recyclebare Grade 3–7, die China 2018 nicht mehr annahm. Grade 1 (PETE/PET) und 2 (HDPE) sind gut recyclebar, 5 (PP) beginnt, während 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS), 7 (Other) aktuell nicht recycelt werden (ASTM RIC). IntegriCo leitet Müll von Deponien ab, engineered ihn zu Wertschöpfungs-Composites, die länger halten als Alternativen → weniger Müll über Zeit.

Nano-CMCs

Zweiter Punkt: Technologie bewegt sich voran in der Definition von Composites. Das beeinflusst bereits Materialwissenschaft und soll weitere Entwicklungen inspirieren. Auslöser war Arkwoods Nutzung von Nucleation, bekannt aus meiner Forschung zu Nano-Keramik-Matrix-Composites (Nano-CMCs, siehe mein Juli-2019-Artikel zu Nanocomposites).

Aus Nov-2017-Artikel „Polymer and ceramic nanocomposites for aerospace applications“:

„Nanocomposites sind Materialien des 21. Jahrhunderts mit 25 % jährlichem Wachstum aufgrund multifunktionaler Fähigkeiten. … Nanofüller erhöhen Nucleation-Fähigkeit durch verbesserte Grenzflächeninteraktion mit Polymermatrix.“

Wachstumsrate kann ich nicht verifizieren, aber Potenzial ist offensichtlich. Neu für mich: Entwicklung von Nano-CMCs, wo Keramikmatrix nicht mit Faser/Filler, sondern mit anderer Keramik verstärkt wird, deren Nucleation und Kristallisation kontrolliert werden für High-Aspect-Ratio-Verstärkung.

In meinem Juli-2019-Nanocomposite-Feature nutze ich Illustration aus Paola Palmeros 2015-Artikel „Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods“ für Mikro-/Nano-Composite-Strukturen. A, B, C: mikrometer-Matrix mit Nanopartikeln, Nanofasern, Nanoplatetten; D: runde und High-Aspect-Ratio-Nanoverstärkungen. E und F illustrieren bi-phasische und multi-phasische Nanocomposites, wo nanoskalige Keramiken nicht mischbar sind.

Abb. 1 Gängige Mikro/Nano-Composite-Strukturen für Keramikmaterialien.
QUELLE: „Structural Ceramic Nanocomposites...“ von Paola Palmero.

Palmero beschreibt in-situ-Kristallisation zweiter Phasen auf Matrixpartikeloberflächen – Matrix ist erste Phase, andere Keramik zweite Phase – als Schlüsselprozess bei Keramik-Nanocomposites. Nach Kristallisation werden Größe und Form der Keramikkristalle/-körner gemanagt, entscheidend für Bulk-Eigenschaften. Elongierte Körner haben in-situ-Zähigkeitswirkung. Palmero: Fähigkeit, gewünschte nanostrukturierte Features in gesinterten Composites zu maßschneidern, ist vital aber fordernd, erfordert strenge Prozesskontrolle durch Mischen, Formen, Sintern, Densifizierung.

Ähnliche Illustration/Diskussion in Fig. 6 des Intechopen-Buchs Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites. Abschnitt 9.1.2: Mikrostruktur von Siliziumnitrid (Si₃N₄)/Siliziumkarbid (SiC) Nanocomposites (Heißpressen). Mikrostruktur: große elongierte β-Si₃N₄-Partikel (Whisker) umgeben von feineren β-Si₃N₄-Nadelpartikeln. REM-Aufnahme aus Fig. 7b bei 20.000-facher Vergrößerung.

Diese Querschnitte bi-phasischer Keramik-Nanocomposites (links) und Recycling-Kunststoff-Composites (rechts) sind tatsächlich recht ähnlich, obwohl sie stark von Querschnitten konventioneller endlosfaserverstärkter Composites abweichen.

QUELLE: Figure 7, Section 9.1.2 aus Physical and Metallurgical Characteristics... von Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaños C., Monika Hrabalová, Petr Jonšta (links) und Querschnitt Composite-Bahnschwelle, IntegriCo Composites (rechts).

Vorteile bi- und multi-phasischer Composites

Warum nutzt die Composites-Industrie das? Weil Materialwissenschaftler diese neue Composite-Definition für einzigartige, maßgeschneiderte Kombinationen mechanischer, thermischer, elektrischer und ablativer Eigenschaften einsetzen. Beispiel: Naval Research Laboratory (NRL, Washington D.C.) entwickelte Siliziumnitrid-, Zirkoniumnitrid-, Titandiborid-Composites und Methoden zur Verstärkung mit zähen Fasern. Diese feuerfesten Keramiken zeigen hohe Festigkeit, thermische Stabilität, variable elektrische/thermische Leitfähigkeit – erfüllen Anforderungen an Hyperschallfahrzeug-Komponenten, was organische Polymer-Composites und selbst fortgeschrittene Metalllegierungen nicht können.

NRL entwickelt auch Additive Manufacturing, das Nanostrukturen in diese Materialien integriert und dielektrische, thermische, elektromagnetische Schirmeigenschaften mit höherer Auflösung als aktuell verfügbare Materialien abstimmt. Auch wenn Verteidigungsanwendungen nicht jedermanns Sache sind: wertvolle Lösungen für geplante Weltraumforschung und Marsmissionen. Eröffnen zudem Wege für vollständig biobasierte Composites, die nicht nur hohe Performance auf Erden bieten, sondern nachhaltig mit weniger Energie/Ressourcen herstellbar und recyclebar sind.

Ich suggeriere nicht, dass faserverstärkte Composites die Bühne verlassen oder verblassen. Aber mit technologischer Entwicklung sollte auch unser Verständnis wachsen, was Composites sein können und was sie bieten.