Intelligente Kunststoffe in Echtzeit prüfen

Forschung Kompakt / 4.11.2013

Zusätze in Nanogröße schützen Kunststoffe vor Kratzern und Flammen oder lassen sie antibakteriell wirken. Dafür muss die Verteilung der Partikel innerhalb der Kunststoffmischung exakt stimmen. Ein neues Messgerät überprüft das jetzt in Echtzeit.

© Foto Fraunhofer ICT

Die »onBOX« überprüft funktionale Kunststoffe direkt an der Mischanlage auf deren Zusammensetzung und die Verteilung der Nanopartikel.

Funktionale Bauteile aus Kunststoff begegnen uns zum Beispiel, wenn wir die Tür unseres Kühlschranks öffnen. Die dort verbauten Materialien sind nicht nur pflegeleicht und haben eine nützliche Form, sondern wirken auch antibakteriell. Der Grund dafür sind Zusätze in Nanogröße, die dem Granulat während der Herstellung beigemischt werden. Solche Bauteile lassen sich je nach Art, Form und Verteilung der Partikel innerhalb der Polymermischung mit unterschiedlichsten Eigenschaften ausstatten. Schon äußerst geringe Mengen der kleiner als 100 Nanometer großen Partikel reichen aus, um eine antibakterielle Wirkung, Kratz- und Flammschutz, elektrische oder thermische Leitfähigkeit oder verbesserte mechanische Festigkeit zu erreichen. Damit diese Merkmale auch einwandfrei wirken, muss das Mischverhältnis von Granulat und Zusätzen sowie deren Verteilung exakt stimmen. Das zu überprüfen ist bislang sehr aufwändig und kompliziert: Es geschieht erst nach der Herstellung. Oft wird die gewünschte Zusammensetzung des Kunststoffmischs erst nach mehreren produzierten Testmengen erzielt. Das verzögert den Produktionsprozess und führt zu unnötigem Materialverbrauch.

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe hat jetzt zusammen mit anderen Partnern ein Werkzeug entwickelt, das die Charakterisierung von polymeren Nanokompositen bereits während der laufenden Produktion erlaubt. »Das spart nicht nur Materialkosten und Zeit. Es hilft auch, die Qualität der durch Nanozusätze hervor- gerufenen zusätzlichen Eigenschaften weiter zu verbessern«, sagt Irma Mikonsaari vom ICT.

Direkt am Mischgerät analysieren

Montiert wird die »onBOX« einfach an der Ausgangsdüse des Fördergeräts. Dort überprüfen Sensoren die Kunststoffmischung – unter anderem mit Hilfe von Spektroskopie, Ultraschall und Mikrowellen. Sie charakterisieren die Masse noch direkt in der Mischanlage und untersuchen, wie diese aus Kunststoff und Nanopartikeln zusammengesetzt ist. Untersucht wird, wie zähflüssig sie ist, welchen Druck sie hat oder wie die Partikel verteilt sind und ob sie Konzentrationsschwankungen aufweisen. Gleichzeitig nehmen die Sensoren die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Polymers sowie dessen Temperatur unter die Lupe. Ein Rechner gleicht die Daten mit den Zielgrößen aus dem System ab und verarbeitet sie innerhalb eines künstlichen neuronalen Netzes weiter. Der Computer errechnet dann je nach gewünschter Anwendung das exakte Mischverhältnis sowie den entsprechenden Verarbeitungsprozess und gibt diese Information direkt an die Steuerung der Maschine weiter. »Das Nanopartikel-Netzwerk bildet sich wie gewünscht aus, die einzelnen Partikel verteilen sich optimal. Der Zustand der Kunststoffschmelze kann bereits beim Austritt aus der Düse charakterisiert werden«, präzisiert Mikonsaari.

Die Wissenschaftlerin stellt die »onBOX« am 19. November 2013 beim »NanoOnSpect«- Workshop im ICT in Pfinztal vor. Das Messgerät ist an einer Pilotanlage angebracht, die 30 Kilogramm Kunststoffmischung verarbeiten kann. Gleichzeitig informieren die Forscher über den Stand des von der EU geförderten Projekts »NanoOnSpect«. Eingeladen sind nicht nur Rohstofflieferanten und Kunststoffhersteller, sondern auch Unternehmen, die intelligente Kunststoffe weiterverarbeiten und verwerten.

»NanoOnSpect« ist Anfang 2011 gestartet und hat eine Laufzeit von insgesamt vier Jahren. Ziel des Konsortiums aus Wissenschaft, Verbänden und Industrie ist es, die Herstellungsprozesse intelligenter Kunststoffe mit zugesetzten Nanopartikeln zu optimieren. Dazu entwickeln die Projektpartner einerseits Technologien, die helfen, Verteilung, Größe und Aufbau der Nanozusätze sowie die Eigenschaften der Kunststoff- mischungen besser zu charakterisieren. Andererseits konzipieren die Beteiligten ein neues Mischverfahren, das die Vorteile bestehender Abläufe vereint. »Die ›onBOX‹ ist bereits ein sehr konkretes Forschungsergebnis, von dem die Industrie ab sofort profitieren kann«, weist Mikonsaari auf die anwendungstechnische Relevanz des neuen Werkzeugs hin.