Vielseitiges Werkzeug: Blockcopolymere verbessern Hafteigenschaften von Kunststoffen

(Mynewsdesk) Auf die Grenzflächen und ihr Design kommt es an, wenn Polymere in neuen Anwendungsfeldern zum Einsatz kommen oder verschiedene Materialien auf innovative Art kombiniert werden. Als ein sehr vielseitiges Werkzeug hierfür haben sich Blockcopolymere erwiesen, die der Forschungsbereich Kunststoffe des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt. Bei entsprechendem Design lagern sich die Blockcopolymere in der Grenzfläche an und verbessern damit das Eigenschaftsprofil der mehrphasigen Polymersysteme. Die Blöcke der Copolymere passt das Institut für die Materialien, die kombiniert werden müssen, an und entwickelt für eine Vielzahl unterschiedlicher Polymere maßgeschneiderte Lösungen. Darunter sind beispielsweise auch Polyolefine oder Polykondensate, bei denen die Synthese von Blockcopolymeren sehr anspruchsvoll ist. Auch für die Anbindung von Polymeren auf Oberflächen verschiedener Materialklassen, wie zum Beispiel anorganische und organische Füllstoffe und Fasern sowie Glas, Keramik- oder Metalloberflächen, lassen sich geeignete funktionelle Ankergruppen in den Kompatibilisierer integrieren. Mit Blockcopolymeren als Haft- und Phasenvermittler kann das Fraunhofer LBF die mechanischen, physikalischen oder optischen Eigenschaften verschiedener Materialien verbessern. Aktuell optimiert das Institut beispielsweise thermoplastische Elastomere, die Schlagzähmodifizierung von spröden Polymeren, aber auch die Haftung zwischen Polymeren und Materialien anderer Klassen.

Haftvermittler für Polymer-Metallverbunde entwickelt

Rund um die Mobilität geht der Trend zum Leichtbau: Immer mehr Bauteile aus Metall werden durch solche aus Kunststoff ersetzt. Um das Beste aus den beiden Werkstoffen herauszuholen, werden Metalle und Kunststoffe in Form von Werkstoffverbunden oder Hybridbauteilen kombiniert. Problematisch dabei ist jedoch oft die unzureichende Haftung zwischen Kunststoffen und Metallen. Der Forschungsbereich Kunststoffe des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF erkannte ein erhebliches Potential, die Hafteigenschaften zwischen Kunststoffen und Metallen zu verbessern – und damit auch die Leistungsfähigkeit der Verbunde und Hybride. Das Institut entwickelte und testete neue, selbstentwickelte, maßgeschneiderte Haftvermittler, die die Festigkeit der zahlreichen Arten von Polymer-Metall-Grenzflächen verbessern. Dazu zählen beispielsweise die Kombinationen von Stahl, Aluminium, Titan oder Kupfer mit schlagzähmodifizierten Thermoplasten, Hochleistungspolymeren oder thermoplastischen Elastomeren.

Hybrid- oder Verbundbauteile werden häufig durch An- oder Hinterspritzen einer Kunststoffschmelze an ein Metallteil hergestellt. Dauerhaft beständige Verbindungen werden dabei meist konstruktiv durch Formschluss erzielt. Alternativ werden auch Haftvermittler eingesetzt, die allerdings üblicherweise nicht hinreichend individuell auf die eingesetzten Komponenten abgestimmt sind.

Bei den im Fraunhofer LBF entwickelten Haftvermittlern handelt es sich um partiell funktionalisierte Polymere, die mit der Metalloberfläche eine kovalente Bindung eingehen können. Die nicht-funktionalisierten Teile der Haftvermittler sind mischbar oder identisch mit dem Polymer, das mit einem Metallteil verbunden werden soll. Diese Haftvermittler werden zunächst aus einer Lösung, zum Beispiel durch Tauchen, Streichen oder Sprühen, auf eine Metalloberfläche aufgetragen. Wird nach dem Abdampfen des Lösungsmittels die so vorbehandelte Metalloberfläche mit einer Polymerschmelze in Kontakt gebracht, bilden die Ankergruppen der Haftvermittler eine chemische Verbindung zur Metalloberfläche aus. Die nicht funktionalisierten Teile des Haftvermittlers verschlaufen mit der Polymerschmelze.

Festigkeit der Grenzflächen erhöht

In verschiedenen mechanischen Tests, beispielsweise mit Zug-, Zugscher- oder Schälversuchen, untersuchten die Wissenschaftler die Festigkeiten unterschiedlicher Prüfkörper aus Metall und Kunststoff. Ergebnis: In allen Fällen fanden sie eine erhöhte Festigkeit der Grenzfläche zwischen Kunststoff und Metall, wenn die metallische Oberfläche mit den entwickelten Haftvermittlern vorbehandelt wurde. Mit bildgebenden und spektroskopischen Untersuchungen der Bruchflächen konnten die LBF-Wissenschaftler zeigen, dass ein Materialversagen nicht in der Grenzfläche stattfindet, da auf der Metalloberfläche stets eine Polymerschicht verbleibt.

Über den Forschungsbereich Kunststoffe im Fraunhofer LBF

Mit dem Forschungsbereich Kunststoffe, hervorgegangen aus dem Deutschen Kunststoff-Institut DKI, begleitet und unterstützt das Fraunhofer LBF seine Kunden entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Polymersynthese über die Formulierung des Werkstoffs, seine Verarbeitung und das Produktdesign bis hin zur Qualifizierung und Nachweisführung von komplexen sicherheitsrelevanten Leichtbausystemen. Der Forschungsbereich ist spezialisiert auf das Management kompletter Entwicklungsprozesse und berät seine Kunden in allen Entwicklungsstufen. Hochleistungsthermoplaste und Verbunde, Duromere, Duromer-Composites und Duromer-Verbunde sowie Thermoplastische Elastomere spielen eine zentrale Rolle. Der Bereich Kunststoffe ist ein ausgewiesenes Kompetenzzentrum für Additivierungs-, Formulierungs- und Hybrid-Fragestellungen. Umfassendes Know-how besteht in der Analyse und Charakterisierung von Kunststoffen und deren Veränderung während der Verarbeitung sowie in der Methodenentwicklung zeitaufgelöster Vorgänge bei Kunststoffen.

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=== Funktionsweise der Haftvermittler (Bild) ===

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=== Chemische Synthese der Blockcopolymeren im Labor. (Bild) ===

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Das Fraunhofer LBF unter komm. Leitung von Professor Tobias Melz entwickelt, bewertet und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Der Leichtbau steht dabei im Zentrum der Überlegungen. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und proto-typisch umgesetzt. Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt. Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen. Sie profitieren von ausgewiesener Expertise der über 500 Mitarbeiter und modernste Technologie auf mehr als 11 560 Quadratmeter Labor- und Versuchsfläche an den Standorten Bartningstraße und Schlossgartenstraße.

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