Institut für Kunststofftechnik

Werkstofftechnik

Hier finden Sie eine Auswahl an aktuellen Forschungsprojekten, die sich mit dem Werkstoff Kunststoff beschäftigen.

Um einen Werkstoff „wirksamer“ zu machen, also sein Eigenschaftsprofil breiter oder tiefer, muss der derzeitige Zustand des Werkstoffes mit Hilfe von Werkstoffprüfverfahren geeignet ermittelt werden. In der Kunststofftechnik entsteht ein Kunststoff durch einen Aufbereitungsprozess erst durch neuartige Kombination von Polymeren mit Zusatzstoffen. Zudem ist stetes Ziel der Werkstofftechnik auch die Vorhersagbarkeit des Werkstoffverhaltens im Gebrauch. Hierzu wird an komplexen Werkstoffmodellen geforscht, die z. B. das Zeit- und Temperaturverhalten wirklichkeitsnah abbilden. Auch die Betrachtung der Einflüssen von Kunststoffen in der Umwelt sind essentieller Bestandteil der Forschung. 

Aktuelle Forschungsprojekte

Ausgangssituation

  • 60 Mio. t Lignin pro Jahr bleiben aus der Papierherstellung unverbraucht
  • Lignin gehört zu den vorkommensreichsten aromatischen Biopolymeren

Problemstellung/offene Fragen

  • Nutzen der nachhaltigen und biobasierten Ressource durch neue Verwertungs-perspektiven

Zielsetzung

  • Entwicklung eines Lignin-Compounds für die Verarbeitung zu hochwertigen Bauteilen per Lasersintern

Lösungsweg

  • Materialentwicklung mit maßgeschneidertem Verarbeitungsfenster für das Lasersintern
  • Entwicklung des Produktionsprozesses für das Lasersinterpulver

Ausgangssituation

  • Schaumstoffe sind künstlich hergestellte Stoffe mit zellulärer Struktur und werden häufig als kurzlebiges Verpackungsmaterial verwendet.
  • Aus ökologischer Sicht ist es sinnvoll, das bisher eingesetzte Polystyrol durch einen biobasierten und bioabbaubaren Kunststoff wie z. B. PLA zu ersetzen.

Problemstellung

  • Schmelzefestigkeit von kostengünstigem Standard-PLA zu gering

Zielsetzung

  • Eingehende rheologische Analyse
  • Erhöhung des Molekulargewichts von Standard- PLA durch Kettenverlängerung, Kettenzweigung oder Vernetzung.
  • Ausbildung eines physikalischen Netzwerks durch Bildung von PLA- Stereokomplexen (teuer)
  • Versuchsreihen im Labor und auf Extrusionsschäumanlage (Partner Universität Bayreuth)
 (c)
3D-Drucken von hochgefüllten, z. B. wärmeleitfähigen Kunststoffen

Ausgangssituation

  • Immer mehr Werkstoffe werden druckbar gemacht
  • Oft werden die Drucker dafür nicht ausgelegt/konzipiert

Zielsetzung

  • Entwicklung neuer Gestaltungstools zur Optimierung von Druckprozessen

Lösungsweg

  • Erstmalige Simulation hochgefüllter Kunststoffe im 3D-Druck
  • Entwicklung neuer Modell- und Simulationsansätze
  • Ganzheitliche Betrachtung des Druck-prozesses

Ziel des Projektes

  • Erhöhung der Speicherdichte von Wärmespeichern
  • Verbesserte Speicherkonzepte für die Wärme- versorgung
  • Weiterentwicklung und Optimierung von Sorptionsspeichern

Arbeiten des IKT

  • Auswahl geeigneter Adsorbentien mit hoher Energiespeicherdichte
  • Herstellung von Wabenkörpern mit optimalen Adsorbentien und Geo-metrien
  • Projektpartner
  • Fraunhofer ISE, Freiburg
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Universität Stuttgart
  • Technische Hochschule Waldau
  • ZAE Bayern, Garching

Ausgangssituation

  • Verwendung von Wärmespeichern auf Basis von Wasser oder Zeolith
  • Nutzung von zeolithischen Pelletschüttungen als Sorptionskörper

Problemstellung

  • Pelletschüttungen besitzen einen hohen Druck- verlust bei der Durchströmung
  • Staubbildung während der Nutzung kann Poren der Pellets verstopfen und die Sorptionsfähigkeiten verschlechtern

Lösungsweg

  • Zeolithische Wabenkörper besitzen obige Prob-leme nicht
  • Sehr geringer Druckverlust bei der Durchströmung
  • Keine Staubbildung während des Einsatzes
  • Kinetik einstellbar

 

Ausgangssituation:

  • reine Cellulose lässt sich thermoplastisch nicht verarbeiten.

Problem

  • starke inter- und intramolekulare Hinderung erschwert OH-Gruppen zu erreichen, um Erweichung zu bewirken.

Lösungsweg:

  • „Weiten“ der Cellulose durch ionische Flüssigkeiten
  • Substitution der OH-Gruppen mit Hilfe einer enzymatischen Behandlung (Kooperation mit Institut für Biochemie der Univ. Stuttgart)

Ausgangssituation

  • Öffentlichkeit neue Wege zu einer biobasierten Wirtschaft aufzeigen (Initiative Bioökonomie 2030)

Problemstellung:

  • nur ein Biokunststoff derzeit 3D-druckbar

Lösungsweg

  • Compoundierung von verschiedenen bio-basierten Polymeren zu Biokunststoff-Granulat
  • Auslegung eines Extrusionswerkzeugs, Bau einer Aufwickelvorrichtung
  • Herstellung von exakt runden Endlosfilamenten für das 3D-Drucken
  • Aufbau und Betrieb einer 3D Druck-Community-Plattform mit öffentlichen Materialtests

Ausgangssituation

  • Polyamide sind im trockenen Zustand spröde und werden oft mit Kautschuk modifiziert

Problemstellung/offene Fragen

  • Verlust der Steifigkeit bei zunehmendem Elastomeranteil

Lösungsweg

  • Bildung von PA6-Blockcopolymeren durch reaktive Extrusion
  • Einsatz als partikuläre Schlagzähmodifikatoren
  • Erhöhung der Schlagzähigkeit
  • Geringer Verlust an Steifigkeit

Ausgangssituation

  • Ternäre Stoffsysteme zur simultanen Verbesserung von sowohl Zähigkeits- als auch Steifigkeitseigenschaften
  • Nutzung des Potentials von nanoskaligen Füllstoffen
  • Mikrostruktursimulation von nanoskaligen Verbundwerkstoffen

  (DFG-Gemeinschaftsprojekt mit IMWF, Univ. Stuttgart) 

Problemstellung

  • Einarbeitung und Exfolierung nanoskaliger Füllstoffe durch Schmelzcompoundierung
  • Neuartige Füllstoff/Matrix- und Füllstoff/Füllstoff-Interaktionen
  • Detektion geeigneter Morphologien
  • Entwicklung von Simulationsmodellen (Partner IMWF)

Zielsetzung/Lösungsweg

  • Verbesserung der Zähigkeit/Steifigkeits-Balance von Polyamid 6
  • Zähigkeitssteigerung durch PA 6/Polyether-Blockcopolymer
  • Steifigkeitssteigerung durch exfoliertes nanoskaliges Schichtsilikat
  • Korrelation von Morphologie mit Eigenschaften

Ausgangssituation

  • Standard-PA 66 hat für die Extrusion von dickwandigen Rohrprofilen eine zu niedrige Viskosität: „Sagging“/„Absacken“ der Schmelze
  • Hochviskose PA66-Typen sind sehr teuer und nur begrenzt verfügbar

Zielsetzung

  • Neues Konzept zur Modifizierung von PA66 mit höherer Molmasse / Viskosität

Lösungsweg

  • Rheologische Untersuchungen
  • Viskositätserhöhung durch Propfungsreaktion mit PA 66
  • Reaktive Extrusion auf Doppelschnecken-Extruder
  • Optimierte Rohrprofile
  • Beibehaltung der wesentlichen mechanischen Eigenschaften

Ausgangssituation:

  • vermehrter Einsatz von PA 66 im Blasformen und Thermoformen erwünscht

Problemstellung

  • Viskosität der PA 66-Schmelze in der Regel zu niedrig
  • eingeschränkte Prozessfähigkeit von kommerziellen Polyamiden

Zielstellung/Lösungsweg

  • Entwicklung von PA 66 mit höherer
    Nullviskosität
  • Entwicklung von PA 66 mit Dehnverfestigung ohne Vernetzung
 (c)
Bildquellen: Rollen und Räder-Shop

Ausgangssituation

  • Die kritische Dehnung ist ein kunststoffgerechter Auslegungsparameter.
  • Die kritische Dehnung ist die Dehnung, bei der die erste Schädigung im Bauteil auftritt.
  • Die kritische Dehnung kann aktuell nur sehr aufwendig bestimmt werden.

Zielsetzung

  • Entwicklung einer neuen, schnellen Methode zur Bestimmung der kritischen Dehnung.

Lösungsweg

  • Bestimmung der ersten Schädigung
  • Einsatz der Schallemissionsanalyse
  • Bestimmung der kritischen Dehnung im Kurzzeit-Zugversuch

Ausgangssituation

  • Kunststoffe sind langlebig, vielseitig einsetzbar und kostengünstig herzustellen.
  • Dies wird zum Nachteil, wenn Plastik unkontrolliert und massenhaft in die Umwelt gelangt.
  • Wesentliche Eintragspfade sind das sog. Littering und Sekundärrohstoffdünger.

Problemstellung

  • Die große Langlebigkeit und Beständigkeit an Land und in Gewässern führen zu Anhäufungen, Meere und Böden werden zu Senken.

Zielsetzung

  • Entwicklung neuer und vorhandener Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Kunststoffen in terrestrischen Systemen (Fernerkundung, in situ…).
  • Entwicklung neuer Kunststoffe mit umweltoptimiertem Abbauverhalten (Primärabbau).
  • Untersuchung zur Wirkung von Kunststoffkontaminationen auf die Bodenmeso- und Mikrofauna sowie zur mikrobiellen Abbaubarkeit.
  • Untersuchung zur gesellschaftlichen Wahrnehmung und Verhaltensmuster im Umgang mit Plastik.

 

www.ensure-project.de

Ausgangssituation:

  • Polylactid besitzt keine ausreichende Dehnfähigkeit und dadurch Zähigkeit für technische Anwendungen
  • teilweise biobasiertes, thermoplastisches Polyurethan besitzt hohe Dehnfähigkeit.

Problemstellung:

  • starke Degradation von TPU während der Verarbeitung
  • hohe Viskositätsunterschiede zwischen Polylactid und TPU, dadurch geringe Partikelgröße im unmischbaren Blend

Zielstellung/Lösungsweg

  • Entwicklung eines PLA/TPU-Blends mit möglichst hoher Bruchdehnung
    und möglichst hohem Bioanteil
  • Optimierung der Verarbeitungsparameter aufgrund hoher Temperatursensitivitäten der Viskosität von PLA und TPU schwierig

Ausgangssituation

  • mikroskopisch kleine Kunststoffpartikel gelangen in die Umwelt
  • Durch weitere Fragmentierung/Degradierung entstehen sog. sekundäre Kunststoffpartikel
  • sog. primäre Kunststoffpartikel werden bereits in mikroskopischer Größe hergestellt und z. B. in Peelings und Zahnpasta eingesetzt

Problemstellung

  • Kleinstlebewesen im Meer, wie Wasserflöhe nehmen diese Partikel auf, so dass sie Teil der Nahrungskette werden können

Zielsetzung

  • Untersuchung der Auswirkung auf marine Lebewesen
  • Analyse des Verhaltens von Kleinstpartikeln aus Biokunststoff
 (c)
Quelle: M. Tosin et al., 2012

Ausgangssituation

  • Durch fehlerhaftes Verbraucherverhalten gelangen Kunststoff- abfälle in die Umwelt und ins Meer.
  • Standardkunststoffe wie PP, PE oder PET sind sehr resistent und quasi nicht biologisch abbaubar (~ 1000 Jahre).
  • Bioabbaubare Kunststoffe wie PLA finden zunehmend Verwendung in Kunststoffanwendungen.

Problemstellung

  • Bioabbaubarkeit bisher nur für Bedingungen an Land zertifiziert
  • Abbauverhalten, d. h. Abbaugeschwindigkeit, Tendenz zur Fragmentierung etc. ist in mariner Umgebung nicht bekannt

Zielsetzung

  • Abbauverhalten unter Berücksichtigung verschiedener marine Zonen
  • Untersuchung entstehender Abbauprodukte hinsichtlich deren toxischer Wirkung und dem Einflusses typischer Additive

Ausgangssituation

  • Steigerung der Wärmeleitfähigkeit führt zu anisotropen Eigenschaften
  • Meist ist die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung am geringsten

Zielsetzung

  • Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung

Lösungsweg

  • Beeinflussung der Füllstofforientierung während der Verarbeitung
  • Ausrichtung der Füllstoffe in Dickenrichtung
  • Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung

Ausgangssituation

  • Die kritische Dehnung ist ein kunststoffgerechter Auslegungsparameter.
  • Die kritische Dehnung ist die Dehnung, bei der die erste Schädigung im Bauteil auftritt.
  • Die kritische Dehnung kann aktuell nur sehr aufwendig bestimmt werden.

Zielsetzung

  • Entwicklung einer neuen, schnellen Methode zur Bestimmung der kritischen Dehnung.

Lösungsweg

  • Bestimmung der ersten Schädigung
  • Einsatz der Schallemissionsanalyse
  • Bestimmung der kritischen Dehnung im Kurzzeit-Zugversuch

Ansprechpartner

Johannes Benz
Dipl.-Ing.

Johannes Benz

Abteilungsleiter Werkstofftechnik/Leiter akkreditiertes Prüflabor

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