Autor: Maximilian Adamy

Aufgrund der hervorragenden physikalischen Eigenschaften ist Graphen als funktioneller Füllstoff in Kunststoffen geeignet. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass geringe Füllstoffanteile ausreichen, um deutliche Eigenschaftsverbesserung zu erzielen. Allerdings basieren die bisherigen veröffentlichten Ergebnisse zur Herstellung von Graphen-basierten Kompositen auf Kleinstmengenversuchen, deren Ergebnisse nur sehr begrenzt auf den industriellen Maßstab übertragbar sind. Daher erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Herstellung von Graphen-basierten PP-Kompositen auf einem Doppelschneckenextruder unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Graphen, um Möglichkeiten und Grenzen von Graphen als funktioneller Füllstoff aufzuzeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die verwendeten kommerziell erhältlichen Graphen-Typen einen mehrlagigen Aufbau aufweisen und nach der Herstellung und Verarbeitung der Graphen-basierten Komposite als Agglomerate in der Kunststoffmatrix verbleiben. Bedingt durch die fehlende vollständige Exfolierung und den geringen Dispergierungsgrad kann kein überdurchschnittlicher Anstieg der PP-Eigenschaften im Hinblick auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften beobachtet werden. Da die Eigenschaften von Graphen-basierten Kompositen entscheidend durch die Dispergierung beeinflusst werden, wird im zweiten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Verfahrensparameter bei der Komposite-Herstellung auf einem Doppelschneckenextruder auf die Graphen-Dispergierung und die resultierenden Komposite-Eigenschaften untersucht. Zwar kann die Dispergierung durch die Verfahrensparameter in Grenzen beeinflusst werden. Die Unterschiede in der Dispergierung zeigen jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Graphen-basierten Komposite. Deshalb wird im dritten Teil der Arbeit ein zweistufiges Verfahren zur Steigerung der Graphen-Dispergierung im Komposite verwendet. Hierzu erfolgt zunächst die diskontinuierliche Exfolierung bzw. Vordispergierung des Graphens in einem Lösungsmittel mit Ultraschall. Nach der Ultraschallbehandlung wird die vordispergierte Graphen-Lösung in den Doppelschneckenextruder zur Einarbeitung gefördert. Durch die Vordispergierung mit Ultraschall kann die Graphen-Dispergierung im Komposite gesteigert werden. Wie zuvor sind die Unterschiede in der Dispergierung jedoch nicht ausreichend, um signifikante Unterschiede in den Materialeigenschaften hervorzurufen.

Aufgrund der hervorragenden physikalischen Eigenschaften ist Graphen als funktioneller Füllstoff in Kunststoffen geeignet. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass geringe Füllstoffanteile ausreichen, um deutliche Eigenschaftsverbesserung zu erzielen. Allerdings basieren die bisherigen veröffentlichten Ergebnisse zur Herstellung von Graphen-basierten Kompositen auf Kleinstmengenversuchen, deren Ergebnisse nur sehr begrenzt auf den industriellen Maßstab übertragbar sind. Daher erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Herstellung von Graphen-basierten PP-Kompositen auf einem Doppelschneckenextruder unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Graphen, um Möglichkeiten und Grenzen von Graphen als funktioneller Füllstoff aufzuzeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die verwendeten kommerziell erhältlichen Graphen-Typen einen mehrlagigen Aufbau aufweisen und nach der Herstellung und Verarbeitung der Graphen-basierten Komposite als Agglomerate in der Kunststoffmatrix verbleiben. Bedingt durch die fehlende vollständige Exfolierung und den geringen Dispergierungsgrad kann kein überdurchschnittlicher Anstieg der PP-Eigenschaften im Hinblick auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften beobachtet werden. Da die Eigenschaften von Graphen-basierten Kompositen entscheidend durch die Dispergierung beeinflusst werden, wird im zweiten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Verfahrensparameter bei der Komposite-Herstellung auf einem Doppelschneckenextruder auf die Graphen-Dispergierung und die resultierenden Komposite-Eigenschaften untersucht. Zwar kann die Dispergierung durch die Verfahrensparameter in Grenzen beeinflusst werden. Die Unterschiede in der Dispergierung zeigen jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Graphen-basierten Komposite. Deshalb wird im dritten Teil der Arbeit ein zweistufiges Verfahren zur Steigerung der Graphen-Dispergierung im Komposite verwendet. Hierzu erfolgt zunächst die diskontinuierliche Exfolierung bzw. Vordispergierung des Graphens in einem Lösungsmittel mit Ultraschall. Nach der Ultraschallbehandlung wird die vordispergierte Graphen-Lösung in den Doppelschneckenextruder zur Einarbeitung gefördert. Durch die Vordispergierung mit Ultraschall kann die Graphen-Dispergierung im Komposite gesteigert werden. Wie zuvor sind die Unterschiede in der Dispergierung jedoch nicht ausreichend, um signifikante Unterschiede in den Materialeigenschaften hervorzurufen.

Aufgrund der hervorragenden physikalischen Eigenschaften ist Graphen als funktioneller Füllstoff in Kunststoffen geeignet. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass geringe Füllstoffanteile ausreichen, um deutliche Eigenschaftsverbesserung zu erzielen. Allerdings basieren die bisherigen veröffentlichten Ergebnisse zur Herstellung von Graphen-basierten Kompositen auf Kleinstmengenversuchen, deren Ergebnisse nur sehr begrenzt auf den industriellen Maßstab übertragbar sind. Daher erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Herstellung von Graphen-basierten PP-Kompositen auf einem Doppelschneckenextruder unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Graphen, um Möglichkeiten und Grenzen von Graphen als funktioneller Füllstoff aufzuzeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die verwendeten kommerziell erhältlichen Graphen-Typen einen mehrlagigen Aufbau aufweisen und nach der Herstellung und Verarbeitung der Graphen-basierten Komposite als Agglomerate in der Kunststoffmatrix verbleiben. Bedingt durch die fehlende vollständige Exfolierung und den geringen Dispergierungsgrad kann kein überdurchschnittlicher Anstieg der PP-Eigenschaften im Hinblick auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften beobachtet werden. Da die Eigenschaften von Graphen-basierten Kompositen entscheidend durch die Dispergierung beeinflusst werden, wird im zweiten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Verfahrensparameter bei der Komposite-Herstellung auf einem Doppelschneckenextruder auf die Graphen-Dispergierung und die resultierenden Komposite-Eigenschaften untersucht. Zwar kann die Dispergierung durch die Verfahrensparameter in Grenzen beeinflusst werden. Die Unterschiede in der Dispergierung zeigen jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Graphen-basierten Komposite. Deshalb wird im dritten Teil der Arbeit ein zweistufiges Verfahren zur Steigerung der Graphen-Dispergierung im Komposite verwendet. Hierzu erfolgt zunächst die diskontinuierliche Exfolierung bzw. Vordispergierung des Graphens in einem Lösungsmittel mit Ultraschall. Nach der Ultraschallbehandlung wird die vordispergierte Graphen-Lösung in den Doppelschneckenextruder zur Einarbeitung gefördert. Durch die Vordispergierung mit Ultraschall kann die Graphen-Dispergierung im Komposite gesteigert werden. Wie zuvor sind die Unterschiede in der Dispergierung jedoch nicht ausreichend, um signifikante Unterschiede in den Materialeigenschaften hervorzurufen.