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Mechanisch verstärkte Verbundmaterialien aus isocyanatfrei hergestellten „grünen“ PHU (Polyhydroxyurethanen)


Kurzfassung

Es können nun PHU-Verbundmaterialien (basierend auf Polyhydroxyurethanen) ohne die Verwendung von Isocyanaten hergestellt werden, welche agglomeratfrei und homogen dispergierte oxidische Aluminiumnanoplättchen enthalten. In den neuen Verbundmaterialien konnten zudem perlmuttartige "Brick and Mortar"-Strukturen durch gezieltes Ausrichten dieser Füllstoffe dargestellt werden. Möglich sind vielfältige Anwendungen z.B. als Formkörper, Beschichtung, Klebstoff, Folie, Bauteil oder Materialsystem in der Medizintechnik.


Hintergrund

Verbundmaterialien, auch als Composite bezeichnet, sind Werkstoffe mit einer gezielt aufgebauten Struktur aus mindestens zwei verschiedenartigen, fest miteinander verbundenen Materialien. Als Ausgangsstoff vieler Ver­bundmaterialien spielen polymere Systeme eine wichtige Rolle, darunter insbesondere auch Polyurethane (PU), aufgrund ihrer Vielseitigkeit. Durch ihre gezielt einstellba­ren mechanischen Eigenschaften kommen Verbundmate­rialien als Hochleistungswerkstoffe häufig in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz, finden mittlerweile aber aufgrund sinkender Herstellungskosten auch im Fahrzeugbau, der Medizintechnik und bei Konsumgütern zunehmend Ver­wendung.


Problemstellung

Das Erzeugen perlmuttartiger Strukturen in Verbundmate­rialien kann bei wasserlöslichen Polymeren lediglich unter Verwendung spezieller, kostenintensiver Verarbeitungs­techniken erfolgen. Zudem kommt es bei Polymer-Kom­positen mit Nanofüllstoffen häufig zu einer erheblichen Agglomerat-Bildung, wodurch sowohl die Ausrichtung der Füllstoffe als auch die Verarbeitbarkeit, sowie die Materi­aleigenschaften der Verbundmaterialien unbefriedigend sind. Die herkömmlichen, isocyanat-basierten PUs sind zudem nicht mit den hier verwendeten kostengünstigen Verfahren (Reaktions-Extrusion, Mischung an Luft), bzw. ohne sorgfältigen Feuchtigkeitsausschluss verarbeitbar.


Lösung

In einem von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH geförderten Projekt konnten nun an der Universität Frei­burg Verbundmaterialien basierend auf isocyanatfrei hergestellten Polyhydroxyurethanen (PHUs) hergestellt werden, welche weitestgehend agglomeratfrei und homo­gen dispergierte oxidische Aluminiumnanoplättchen ent­halten. Dadurch konnte auf toxische und phosgenbasierte Isocyanate verzichtet werden, wodurch das Gefähr­dungspotential reduziert und die Verarbeitung deutlich vereinfacht werden kann. In den synthetisierten Nano­compositen konnten mechanische Eigenschaften erzeugt werden, die in PHU-basierten Systemen bisher nicht erreicht wurden. In diesen Verbundmaterialien konnten zudem perlmuttartige "Brick and Mortar"-Strukturen durch gezieltes Ausrichten dieser Füllstoffe dargestellt werden. Diese Ausrichtung führte zu einer verbesserten Härte des Materials.


Vorteile

  • Verbundmaterialien, basierend auf isocyanatfrei hergestellten „grünen“ Polyhydroxyurethanen  
  • Nanoskalige oxidische Aluminiumplättchen mit hohem Aspektverhältnis
  • Keine Agglomerat-Bildung
  • Signifikant höhere Stabilität
  • Hohe Steifigkeiten
  • Gute Verarbeitbarkeit
  • Perlmuttartige "Brick and Mortar"-Strukturen
  • Gezielte Ausrichtung der Nanoplättchen
  • Breite Palette an solchermaßen verstärkten, „grünen“ PHU-Nanocompositen darstellbar

Anwendungsbereiche

Bei den vorliegenden Verbundmaterialien konnte nun durch Einsatz nanoskaliger oxidischer Aluminiumpartikel eine hohe mechanische Verstärkung in Duromeren und thermoplastischen Systemen erzeugt werden. Durch Ausrichtung dieser Füllstoffe konnten zudem perlmuttar­tige "Brick and Mortar"-Strukturen erzeugt werden. Das neue Verbundmaterial könnte überall dort zum Einsatz kommen, wo kunststoffbasierte Werkstoffe mit hohem E-Modul und hoher Zugfestigkeit erforderlich sind; aufgrund seiner Härte und Kratzfestigkeit auch als Be­schichtung.


Service

Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.


Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH

Dr. Dirk Windisch
+ 49 721 790 040
windisch@tlb.de
www.tlb.de
Adresse
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe



Entwicklungsstand

Machbarkeit


Patentsituation

  • DE 102017001365 A1 anhängig

Stichworte

isocyanatfrei, umweltfreundlich, PHU, Polyhydroxyurethan, biobasiert, Verbundmaterialien, Füllstoffe, Nanocomposite, Aluminiumpartikel, Verstärkung, Formkörper, Beschichtungen, Fasern, Folien

Kontakt | Geschäftsstelle

TransferAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

c/o PROvendis GmbH
Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr