Leistungsstarke Polyamide durch Elektronenbestrahlung

Die Eigenschaften von thermoplastischen Kunststoff-Formteilen können erheblich verbessert werden, wenn man sie nach der Formgebung mit Elektronen bestrahlt. Auf diese Weise lassen sich mit preiswerteren technischen Kunststoffen wie Polyamid (PA) Eigenschaften erzielen, die an die von teuren Hochleistungskunststoffen heranreichen.

Polyamid Granulat Kunststoff Spritzguss
© Foto Fraunhofer IMWS

Polyamid-Granulate werden im Spritzgussprozess in Kunststoff-Formteile urgeformt.

Die Energie beschleunigter Elektronen bringt bei dieser Methode die Kunststoff-Moleküle dazu, sich untereinander zu verbinden. Einzelne Makromoleküle, die ursprünglich aneinander vorbeigleiten können, werden zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft (Vernetzung). Die damit entstehende Struktur verbessert die thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften des Kunststoffs, beispielsweise die Stabilität beim dauerhaften Einsatz in hohen Umgebungstemperaturen oder die Abriebfestigkeit.

Für die Strahlenvernetzung wird den Polymeren vorab ein Vernetzungsadditiv zugegeben. Die Vernetzung des Polymers, das bereits das Vernetzungsadditiv enthält, findet im Anschluss an die Formgebung, die zum Beispiel durch Spritzgießen erfolgt, statt. Hierfür verpackt der Spritzgießer die Teile nach der Formgebung und schickt sie zu einem Bestrahlungsunternehmen, das die Teile in der Verpackung bestrahlt. Hierfür fallen zusätzliche Transportzeiten und -kosten an.

Eine effizientere Variante wäre es, die Kunststoff-Granulate bereits vor ihrer Verarbeitung so teilweise zu vernetzen, dass sie danach einerseits noch wie gewohnt per Spritzguss zu Formteilen verarbeitet werden können, andererseits aber bereits typische Merkmale vernetzter Thermoplaste aufweisen. Für den Massenkunststoff Polypropylen (PP) konnte diese Variante bereits erfolgreich erprobt werden.

Anknüpfend an diese Ergebnisse soll in dem Forschungsprojekt »PA-X-Granulat« untersucht werden, ob der Weg einer Teilvernetzung des Granulates vor seiner Formgebung auch auf den schlagzähmodifizierten (resistenter gegen Schlag- und Stoßeinwirkung) technischen Kunststoff Polyamid (PA) übertragen werden kann. In dem Projekt PA-X-Granulat soll dazu ausschließlich der im Polyamid feinverteilte Schlagzähmodifikator vernetzt werden, während das Polyamid unvernetzt bleibt (nachfolgend als »selektive Vernetzung« bezeichnet).

Experten des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) und des Fraunhofer-Pilotanlagenzentrums für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau wollen dazu in dem gemeinsamen Projekt »PA-X-Granulat« in enger Abstimmung mit den assoziierten Projektpartnern Herotron-E-Beam-Service GmbH in Bitterfeld-Wolfen, Expinos GmbH in Merseburg und qtec Kunststofftechnik GmbH in Gernrode ein grundlegendes Verständnis des Vernetzungsverhaltens kommerziell verfügbarer Schlagzähmodifikatoren sowie ihrer selektiven Vernetzung im schlagzähmodifizierten Polyamid erlangen.

Nach Auswahl von geeigneten Polyamid-Typen, Schlagzähmodifikatoren und Vernetzungsadditiven sollen systematische Untersuchungen zur Compoundierung (das Aufbereiten von Kunststoff durch die Beimischung von Füllstoffen oder Additiven) der Materialien, zum Einfluss der Bestrahlungsbedingungen der schlagzähmodifizierten Polyamid-Granulate bei Herotron sowie zu deren Verarbeitungsverhalten im Spritzgieß- und im Spritzgießcompoundierverfahren DCIM erfolgen. Die von Exipnos entwickelte neue DCIM-Spritzgießcompoundiertechnologie verbindet die beiden bislang getrennt ablaufenden Verarbeitungsschritte Compoundierung und Spritzguss zu einem einstufigen Verarbeitungsprozess. Im Projekt soll untersucht werden, welchen Einfluss die einstufige DCIM-Verarbeitung im Vergleich zur zweistufigen Verarbeitung mit Compoundierung im ersten und Spritzguss im zweiten, separaten Schritt hat. Aus dem neuen Material werden bei dem Automobilzulieferer qtec mit einem Serienwerkzeug Teile als Demonstratoren gespritzt.

Die Materialcharakterisierung, die sowohl die Bestimmung thermophysikalischer und mechanischer Eigenschaften als auch die Kennwertermittlung für die Verarbeitbarkeit im Spritzguss umfasst, erfolgt am Fraunhofer IMWS. Für das neue Material soll eine Datenbasis für ein fundiertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Fertigung, Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen und mechanischem Versagensverhalten aufgebaut werden. Mit dieser steht potenziellen Endanwendern ein Baukasten zur Verfügung, der sie bei der Auswahl der Ausgangsmaterialien und Prozessparameter während der Verarbeitung unterstützt.

Die Untersuchungen des bis zum 30. September 2019 laufenden Forschungsprojekts eröffnen die Möglichkeit, maßgeschneiderte Produkte mit Eigenschaften herzustellen, die mit den kommerziellen schlagzähmodifizierten Polyamiden nicht erreicht werden können.