Entwicklung innovativer Compatibilizer-Systeme für Polypropylen Nanocomposites auf der Basis organophiler Schichtsilikate

Seit Millionen von Jahren erzeugt die Natur nanostrukturierte Materialien und Nanocomposites mit bemerkenswerten Eigenschaften. Erst in den vergangenen Jahrzehnten hat die Wissenschaft gelernt, solche Werkstoffe für unterschiedliche Anwendungen synthetisch herzustellen. Die einzigartigen Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit der Nanomaterialien liegen begründet in den Abmessungen des submikroskopischen Gefüges, der Struktur der Oberflächen beziehungsweise Phasengrenzflächen sowie in der Art und Intensität der Wechselwirkungen zwischen den Werkstoffkomponenten. Kommerzielle Produkte sind inzwischen beispielsweise aus der Halbleiter-, Oberflächen- und Katalysatortechnik sowie aus der Optik und Biomedizin hervorgegangen. Die spezifischen Gebrauchseigenschaften dieser Produkte haben am Ende des zwanzigsten Jahrhunderts sowohl in der Forschung als auch in der Öffentlichkeit zu einem explosionsartigen Interesse an den Nanotechnologien geführt. Seit dieser Zeit sind Begriffe wie der glq Lotusblüten-Effekt grq, die Fullerene und die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in aller Munde.

Die Nanotechnologie gilt heute als eine der bedeutendsten Triebfedern für Werk- und Effektstoffinnovationen in der Zukunft. Auch auf dem Sektor der polymeren Werkstoffe haben Nanocomposites in der jüngeren Vergangenheit aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaftsprofile wiederholt Aufsehen erregt. In Kunststoffen auf molekularer Ebene eingebettete Nanobausteine können bereits in äußerst geringen Mengen signifikante Veränderungen des Eigenschaftsprofils bewirken. Die Ausnutzung submikroskopischer physikalischer Effekte eröffnet vielfältige Möglichkeiten, die Eigenschaftsprofile etablierter Materialien zu diversifizieren und für neue Anwendungen maßzuschneidern.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Abhandlung steht die Entwicklung von Polypropylen-Nanocomposites auf der Basis organisch modifizierter Schichtsilikate. Die besondere Herausforderung besteht dabei in der ausgesprochen schlechten thermodynamischen Verträglichkeit der Werkstoffkomponenten, die auf ihre unterschiedlichen Polaritäten zurückzuführen ist. Daraus resultiert die Notwendigkeit, zusätzliche Compatibilizer einzusetzen, die die Grenzflächenspannung zwischen dem Polypropylen und den Silikatpartikeln reduzieren und somit ihre Wechselwirkungen intensivieren. Die Compatibilizer bestimmen daher entscheidend die Morphologie der Verbundwerkstoffe und sind ausschlaggebend für deren Eigenschaftsprofil.

Im Rahmen der Dissertation wurden innovative Ansätze zur Kompatibilisierung von Polypropylen-Nanocomposites untersucht. Dazu wurden unterschiedliche Typen von Pfropfcopolymeren mittels Reaktivextrusion generiert und als Compatibilizer in Nanocomposites eingesetzt. Die entwickelten Rezepturen und Prozesskenngrößen wurden in Bezug auf die Reaktionsausbeute sowie hinsichtlich der resultierenden Produkteigenschaften optimiert. Dabei wurden die Funktionalzusammenhänge zwischen den chemischen Merkmalen der Compatibilizer und den mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften der generierten Nanocomposites sowie der Güte der Partikeldispergierung charakterisiert.