Leicht und stabil – Im Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» werden neue Methoden untersucht, um Verbundmaterialien zäher zu machen

«Durch die Beteiligung an dem Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» erweitern wir unser Wissen über neue Verbundmaterialien und hoffen, unsere führende Stellung in diesem Bereich weiter ausbauen zu können», kommentiert Dr. Alessandro Napoli, Global Technology Manager bei Huntsman die Beteiligung an dem Nano-Argovia-Projek (Bild: Huntsman Advanced Materials GmbH).

Im Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), der Universität Basel sowie der Firma Huntsman Advanced Materials GmbH (Basel) den Einsatz von Blockcopolymeren in Verbundmaterialien. Die Untersuchung zielt darauf, Verbundmaterialien zäher zu machen, ihre Verarbeitbarkeit dabei jedoch nicht einzuschränken.

Verbesserung gewünscht
Kunststoffe, die durch Kohlenstofffasern verstärkt sind (Faserverbundmaterialien) zeichnen sich durch ausserordentliche mechanische Eigenschaften verbunden mit geringem Gewicht aus. Sie werden vor allem beim Bau von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen eingesetzt, spielen aber auch bei der Herstellung von Windturbinen eine immer grösser werdende Rolle. Ihr Einsatzbereich liesse sich noch erweitern, wenn die Materialien weniger spröde wären und sich ihre Zähigkeit erhöhen liesse. Dies wird schon heute durch die Zugabe von thermoplastischen Pulvern erreicht. Deren Einsatz erhöht jedoch die Viskosität und erschwert damit die Verarbeitung.

Blockcopolymere als Zusatz
Die Wissenschaftler-Teams im Nano-Argovia-Projekt «NanoTough» untersuchen nun zunächst die Synthese verschiedener Blockcopolymere, die sie später einem als Matrix dienenden Epoxidharz zusetzen. Blockcopolymere sind Polymere, die sich aus mindestens zwei verschiedenen Monomeren aufbauen, wobei die einzelnen Moleküle eines Monomers zu langen Ketten verknüpft sind, die die einzelnen Blöcke (z.B. AAAAABBBBB) bilden. Die Gruppe von Professor Wolfgang Meier vom Departement Chemie der Universität Basel synthetisiert zunächst verschiedene Blockcopolymere (BCP) unterschiedlicher Zusammensetzung und Masse und untersucht die Auswirkung auf die Morphologie der entstehenden Nanostrukturen. Die Forschenden versuchen zudem durch die Wahl der Lösungsmittel und Temperaturen Bedingungen zu simulieren, wie sie im Epoxidharzsystem herrschen.

Unter den synthetisierten und charakterisierten BCPs werden geeignete Kandidaten ausgewählt und vom Team der Projektleiterin Dr. Sonja Neuhaus und Professor Clemens Dransfeld (Hochschule für Technik in Windisch, FHNW) in einem Epoxidharzsystem getestet. Dabei spielen sowohl die Bedingungen bei der Aushärtung als auch die Morphologie der Blockcopolymere in komplett ausgehärteten Proben eine wichtige Rolle. Später wird ein thermoplastisches Material zugefügt und die morphologischen Eigenschaften des neuen Verbundwerkstoffes werden untersucht. Der Firmenpartner Huntsman charakterisiert zusammen mit dem FHNW-Team abschliessend die mechanischen Eigenschaften der Proben und vergleicht diese mit den führenden Materialien auf dem Markt. Experimente, welche die Brucheigenschaften testen und die Bestimmung der Glasübergangstemperatur unter verschiedenen Bedingungen sind dabei entscheidend.