DE102018119964A1

DE102018119964A1 - Plastic composite material with at least one filler introduced into a plastic matrix

Info

Publication number: DE102018119964A1
Application number: DE102018119964.3A
Authority: DE
Inventors: Maik Feldmann; Philipp Sälzer; Hans-Peter Heim; Hartmut Hillmer; Uh-Myong Ha
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Kunststoffverbundwerkstoff mit mindestens einem in eine Kunststoffmatrix eingebrachten Füllstoff in Form von Füllstoffpartikeln, wobei in die Kunststoffmatrix eingebrachte Füllstoffpartikel eine exakt gleiche Partikelgeometrie aufweisen.The invention relates to a plastic composite material with at least one filler introduced into a plastic matrix in the form of filler particles, filler particles introduced into the plastic matrix having exactly the same particle geometry.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits einen Kunststoffverbundwerkstoff mit mindestens einem in eine Kunststoffmatrix eingebrachten Füllstoff in Form von Füllstoffpartikeln, sowie andererseits ein Formteil, hergestellt aus einem solchen Kunststoffverbundwerkstoff.The invention relates on the one hand to a plastic composite material with at least one filler introduced into a plastic matrix in the form of filler particles, and on the other hand to a molded part made from such a plastic composite material.

Die Einarbeitung von Füllstoffen, z. B. in Form von Fasern im Größenbereich von Mikro- oder auch Nanometern in eine Kunststoffmasse als Matrixmaterial, ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Bekannt ist in diesem Zusammenhang die Verwendung, beispielsweise von Glasfasern, Kohlefasern oder auch Naturfasern oder anderen Partikeln, wie z.B. Ruß, Stärke oder Holzmehl als Füllstoff, z.B. zur Herstellung eines Compounds durch einen Extruder oder einen entsprechenden Mischer. Die in solcher Art hergestellten Compounds, also Kunststoffverbundwerkstoffe, werden anschließend zu Formteilen, z. B. Profilen weiterverarbeitet, beispielsweise durch Spritzgießen oder Extrusion. Füllstoffe, bzw. auch Füllstoffpartikel werden gemeinhin verwendet, um primär die mechanischen Eigenschaften von Formteilen aus einem solchen Compound aus Kunststoff und Füllstoffpartikeln zu verbessern. So ist bekannt, dass beispielsweise durch die Verwendung von Fasern in der Regel eine relativ hohe Verstärkungswirkung erzielt werden kann, da diese über ein großes Verhältnis zwischen Länge zu Durchmesser verfügen, und somit in Richtung der Faserorientierung verhältnismäßig hohe Kräfte aufnehmen können. Bekannt ist allerdings auch der Einsatz von Füllstoffpartikeln in Form von Kugeln als sphärische Objekte.The incorporation of fillers, e.g. B. in the form of fibers in the size range of micrometers or nanometers in a plastic mass as a matrix material is well known from the prior art. In this context, the use is known, for example of glass fibers, carbon fibers or also natural fibers or other particles, such as e.g. Carbon black, starch or wood flour as filler, e.g. for the production of a compound by an extruder or a corresponding mixer. The compounds produced in this way, i.e. plastic composites, are then turned into molded parts, e.g. B. profiles processed, for example by injection molding or extrusion. Fillers or filler particles are commonly used to primarily improve the mechanical properties of molded parts made from such a compound made of plastic and filler particles. It is known that, for example, the use of fibers can generally achieve a relatively high reinforcing effect, since these have a large ratio between length and diameter and can therefore absorb relatively high forces in the direction of the fiber orientation. However, the use of filler particles in the form of spheres as spherical objects is also known.

Nun ist es allerdings so, dass die Form der Füllstoffpartikel in ihrer Menge und Verteilung mehr oder weniger dem Zufall überlassen ist oder Schwankungen unterliegt. Das heißt, dass insbesondere die mechanischen Eigenschaften, die durch die Zugabe von Füllstoffpartikeln verbessert werden sollen, in ihrer Wirkung nur bedingt prognostizierbar sind.Now, however, the shape and distribution of the filler particles is more or less left to chance or is subject to fluctuations. This means that the mechanical properties, in particular, which are to be improved by the addition of filler particles, are only partially predictable in their effect.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kunststoffverbundwerkstoff der eingangs genannten Art bereitzustellen, der in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften eines mit einem solchen Kunststoffverbundwerkstoffes hergestellten Formteiles oder auch eines Profils, über eine gute Reproduzierbarkeit verfügt, dass heißt, dass die aus dem Kunststoffverbundwerkstoff hergestellten gleichen Gegenstände alle insbesondere die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweisen.The invention is therefore based on the object of providing a plastic composite material of the type mentioned at the outset which, with regard to the mechanical properties of a molded part produced with such a plastic composite material or also a profile, has good reproducibility, that is to say that those produced from the plastic composite material same objects all have in particular the same mechanical properties.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die in die Kunststoffmasse oder Kunststoffmatrix eingebrachten Füllstoffpartikel alle eine exakt gleiche Partikelgeometrie aufweisen. Das heißt, dass die Einarbeitung von Füllstoffpartikeln mit exakt definierter Form in eine Kunststoffmasse als Kunststoffmatrix zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes eine sehr genaue Einstellung des Eigenschaftsprofils, insbesondere hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, ermöglicht.To achieve the object, it is proposed according to the invention that the filler particles introduced into the plastic mass or plastic matrix all have exactly the same particle geometry. This means that the incorporation of filler particles with a precisely defined shape into a plastic mass as a plastic matrix for the production of a composite material enables a very precise setting of the property profile, in particular with regard to the mechanical properties.

Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous features and refinements of the invention result from the subclaims.

Vorteilhaft ist der Einsatz von faserförmigen oder länglichen Füllstoffpartikeln denkbar, die gemeinhin in der Lage sind, aufgrund ihres Längen- zum Durchmesserverhältnisses in Richtung ihrer Längsachse größere Kräfte aufzunehmen. Insbesondere dann, wenn die Oberfläche solcher Fasern eine Struktur aufweist, also z. B. gezackt sind, verbessern sich hierdurch die mechanischen Eigenschaften, insbesondere erhöhen sich die Auszugskräfte. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung befindet sich die Größe der Füllstoffpartikel im Nano- oder Mikrometerbereich. Bei Füllstoffpartikeln im Mikrometerbereich soll sich vorteilhaft die Texturierung der Füllstoffpartikel im Nanobereich befinden. Dies dient schlussendlich ebenfalls der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie z. B. der Erhöhung der Auszugskraft. Der Einsatz von Füllstoffpartikeln im Nanobereich hat den großen Vorteil, dass diese Füllstoffpartikel bei der Verarbeitung, beispielsweise im Extruder, nur im geringen Maße Schaden nehmen. Das heißt, dass die Form der Füllstoffpartikel auch nach der Verarbeitung im Extruder im Wesentlichen exakt gleich ist. Allerdings kann auch der Einsatz von Füllstoffpartikeln im Mikrometerbereich sinnvoll sein, wenn bei der Weiterverarbeitung sichergestellt ist, dass die Füllstoffpartikel im Wesentlichen in ihrer Form erhalten bleiben. Das heißt, es ist immer anzustreben, dass die Füllstoffpartikel im Wesentlichen alle eine exakt gleiche Partikelgeometrie aufweisen, und zwar auch noch nach der Verarbeitung.The use of fibrous or elongated filler particles is advantageously conceivable, which are generally able to absorb greater forces in the direction of their longitudinal axis due to their length to diameter ratio. Especially when the surface of such fibers has a structure, e.g. B. are serrated, thereby improve the mechanical properties, in particular increase the pull-out forces. According to a further feature of the invention, the size of the filler particles is in the nano or micrometer range. In the case of filler particles in the micrometer range, the texturing of the filler particles should advantageously be in the nano range. Ultimately, this also serves to improve the mechanical properties, such as. B. increasing the pull-out force. The use of filler particles in the nano range has the great advantage that these filler particles are only slightly damaged during processing, for example in an extruder. This means that the shape of the filler particles is essentially exactly the same even after processing in the extruder. However, the use of filler particles in the micrometer range can also make sense if it is ensured during further processing that the filler particles are essentially retained in their shape. This means that the aim should always be for the filler particles to essentially all have exactly the same particle geometry, even after processing.

Die Füllstoffpartikel können elektrisch oder auch thermisch leitfähig ausgebildet sein, was z. B. durch die Zugabe von Kohlenstoff bewirkt werden kann. Die Kunststoffpartikel selbst können ebenso wie die Kunststoffmatrix aus thermoplastischen, elastomeren oder auch duroplastischen Kunststoffen hergestellt sein. Ein besonderes Anwendungsgebiet ergibt sich dann, wenn die Füllstoffpartikel fluoreszierend ausgebildet sind, da der Einsatz von fluoreszierenden Füllstoffpartikeln, insbesondere im Nanobereich, die Möglichkeit eröffnet, einen wirksamen Plagiatschutz mit solchen Materialien bereitzustellen, ohne die Werkstoffeigenschaften als solche zu beeinflussen.The filler particles can be electrically or thermally conductive, which z. B. can be caused by the addition of carbon. Like the plastic matrix, the plastic particles themselves can be made from thermoplastic, elastomeric or even thermosetting plastics. A particular field of application arises when the filler particles are fluorescent, since the use of fluorescent filler particles, in particular in the nano range, opens up the possibility of providing effective protection against plagiarism with such materials without influencing the material properties as such.

Auch können antibakteriell ausgebildete Füllstoffpartikel, insbesondere im Medizinbereich, einen großen Einsatzbereich aufweisen.Antibacterial filler particles can also have a wide range of uses, particularly in the medical field.

Füllstoffpartikel im Mikrometer- und insbesondere im Nanobereich können beispielsweise durch das sogenannte Nanoimprintverfahren hergestellt werden. In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2011 054 789 A1 die Nutzung einer Nanoformgebungsstruktur zur Herstellung einer Nanostruktur bekannt, welche eine bestimmte Nanogeometrie aufweist. Denkbar ist allerdings auch Füllstoffpartikel, insbesondere auch im Nanobereich, durch Elektronenstrahllithografie herzustellen. Filler particles in the micrometer and especially in the nano range can be produced, for example, by the so-called nanoimprint process. In this context is from the DE 10 2011 054 789 A1 the use of a nanoforming structure for producing a nanostructure is known, which has a certain nanogeometry. However, it is also conceivable to produce filler particles, in particular also in the nano range, by means of electron beam lithography.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Formteil, hergestellt aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 durch Spritzgießen, Extrusion oder im 3D-Druck.The invention also relates to a molded part produced from a plastic composite material according to one or more of claims 1 to 10 by injection molding, extrusion or in 3D printing.

In den Zeichnungen sind beispielhaft verschiedene Formen von Füllstoffpartikeln dargestellt, die insbesondere je nach Form eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in einer oder mehreren Raumrichtungen bewirken können. Herstellbar sind alle diese dort dargestellten Formen beispielsweise durch das Nanoimprintverfahren, das, wie bereits ausgeführt, durch die DE 10 2011 054 789 näher beschrieben ist.In the drawings, various forms of filler particles are shown by way of example, which, depending on the shape in particular, can bring about an improvement in the mechanical properties in one or more spatial directions. All of the shapes shown there can be produced, for example, by the nanoimprint process, which, as already explained, by the DE 10 2011 054 789 is described in more detail.

1 zeigt hierbei einen länglichen Körper, dessen Seitenflächen gezackt ausgebildet sind, die Strukturierung oder Texturierung ist hierbei zweidimensional. 2 zeigt einen sphärischen Körper, der in der Lage ist, nicht nur in Längsrichtung verhältnismäßig große Kräfte aufzunehmen, sondern auch in Richtung quer zu seiner Längsachse; der Körper weist eine dreidimensionale Textur auf. 3 zeigt einen länglichen hülsenförmigen oder auch massiven Körper, der eine wellen- oder faltenförmige Oberfläche zeigt, und insofern dreidimensional strukturiert ist. 1 shows an elongated body, the side surfaces are jagged, the structuring or texturing is two-dimensional. 2 shows a spherical body, which is able to absorb not only relatively large forces in the longitudinal direction, but also in the direction transverse to its longitudinal axis; the body has a three-dimensional texture. 3 shows an elongated sleeve-shaped or solid body, which shows a wavy or wrinkled surface, and is structured in three dimensions.

Bei dem Füllstoffpartikel gemäß 4 ist eine identische Kraftaufnahme in zwei Raumrichtungen möglich (zweidimensionale Struktur). Der Füllstoffpartikel gemäß 5 ist ebenfalls in der Lage, Kräfte in drei Raumrichtungen aufzunehmen; er ist insofern dreidimensional strukturiert.According to the filler particle 4 an identical force absorption in two spatial directions is possible (two-dimensional structure). The filler particle according to 5 is also able to absorb forces in three spatial directions; in this respect it is structured three-dimensionally.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102011054789 A1 [0010]
DE 102011054789 [0012]

Claims

Plastic composite material with at least one filler introduced into a plastic matrix in the form of filler particles, characterized in that filler particles introduced into the plastic matrix have exactly the same particle geometry.

Plastic composite material after Claim 1 , characterized in that the filler particles are elongated.

Plastic composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the size of the filler particles is in the micrometer or nano range.

Plastic composite material after Claim 3 , characterized in that the texturing of the filler particles is in the nano range.

Plastic composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler particles are electrically conductive.

Plastic composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler particles are thermally conductive.

Plastic composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler particles and / or the plastic matrix are made of thermoplastic, elastomeric or thermosetting plastics.

Plastic composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler particles are fluorescent or antibacterial.

Plastic composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler particles are produced by the nanoimprint process.

Plastic composite material according to one of the preceding Claims 1 to 8th , characterized in that the filler particles can be produced by electron beam lithography.

Molding made from a plastic composite according to one or more of the Claims 1 to 10 by injection molding, extrusion or 3D printing.