Verbesserte Oberflächen-Eigenschaften von PP

Verbesserte Oberflächen-Eigenschaften von PP durch Zusatz von Silica-Füllstoffen

Polypropylen (PP) ist ein Kunststoff, der durch geringe Dichte bei guten mechanischen Eigenschaften im Volumen, hohe chemische Beständigkeit und ein gutes Preis-Leistungsverhältnis überzeugt. Jedoch wird sein Einsatz im Automobilbereich oder in der Telekommunikationstechnik durch eine unzureichende mechanische Beständigkeit der Oberflächen begrenzt. Existierende Methoden zur Oberflächenbehandlung liefern nur ansatzweise Lösungen für diese Problematik. Eine neue Perspektive bildet der Einsatz spezieller, kugelförmiger Silica-Füllstoffe, die als Nebenprodukt bei der Reinsilicium-Herstellung anfallen und so einer sinnvollen Verwertung zugeführt werden können.

Verschiedene Silica-Füllstoffe im Test

Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Projektes wurden Untersuchungen an PP-Silica-Compounds mit verschiedenen Füllgraden durchgeführt. Ziel war die Erschließung des Potentials dieser Füllstoffe für die Erzeugung von PP mit hochwertigen Oberflächen, die keine zusätzliche Beschichtung erfordern, bei gleichbleibend hohem Eigenschaftsniveau der Compounds im Volumen.

Zur Charakterisierung der Compound-Eigenschaften wurden die in Tabelle 1 dargestellten Methoden angewendet:

Methoden zur Charakterisierung der Compoundeigenschaften
Methoden zur Charakterisierung der Compoundeigenschaften.

Tabelle 1: Methoden zur Charakterisierung der Compoundeigenschaften

Die untersuchten Compounds enthalten auf identischem Weg hergestellte Füllstoffe (Silica). Einer der Silica-Füllstoffe wurde nachträglich einem hydrophobierenden Oberflächen-Coating (Silica modif.) unterzogen. Die in der Abb. 1 dargestellten Daten zeigen die Ergebnisse der Prüfung UST-Kratzfestigkeit. Bei dieser Untersuchung der Oberflächeneigenschaften werden der elastische (elast.) und der permanente (perm.) Anteil der Verformung der Oberfläche durch Aufbringen einer definierten Last gemessen.

UST-Kratztest an PP-Compounds mit bzw. ohne Oberflächenmodifizierung des Füllstoffs
UST-Kratztest an PP-Compounds mit bzw. ohne Oberflächenmodifizierung des Füllstoffs.

Abb. 1: UST-Kratztest an PP-Compounds mit bzw. ohne Oberflächenmodifizierung des Füllstoffs

Testsieger: Oberflächenmodifizierte Silica-Füllstoffe

Der elastische Anteil der Verformung steigt mit Erhöhung der Belastung an. Dieser Effekt ist bei den unmodifizierten Silica-Partikeln stärker ausgeprägt. Im Gegensatz dazu bleibt der perm. Anteil der Verformung ab einer Belastung von ca. 500 N konstant. Er ist bei den Compounds mit oberflächenmodifizertem Füllstoff geringer. Dies zeigt, dass die Oberfläche dieser Compounds aufgrund der geringeren Gesamtverformung weniger stark verletzt wird. Ein Effekt, der durch eine mittels mikroskopischer Untersuchungen nachgewiesene bessere Haftung der hydrophob modifizierten Silica-Partikel in der PP-Matrix erklärt werden kann.

Ebenso verbesserten sich die Dispergiebarkeit des hydrophob modifizierten Füllstoffs bei gleichzeitig konstant hohem, für eine gute Verarbeitbarkeit stehenden, MVR-Wert der Compounds (vgl. Abb. 2) sowie deren mechanische Volumen-Eigenschaften. Die Compounds mit oberflächenmodifiziertem Füllstoff waren bei höheren Füllgraden wesentlich weniger spröde (vgl. Abb. 3, Charpy-Schlagzähigkeit).

links: Schlagzähigkeit nach Charpy zweier Compounds; rechts: MVR zweier Silica-Compounds
links: Schlagzähigkeit nach Charpy zweier Compounds; rechts: MVR zweier Silica-Compounds

links: Abb. 2: Schlagzähigkeit nach Charpy zweier Compounds; rechts: Abb. 3: MVR zweier Silica-Compounds

Mit diesem Projekt ist es gelungen, PP-Compounds mit verbesserten Oberflächen-Eigenschaften herzustellen und die Kompetenzen des KUZ auf dem Gebiet der Oberflächenprüfungen zu erweitern.

Auf Basis unserer langjährigen Erfahrungen in der Kunststoffverarbeitung und -prüfung in Verbindung mit einer modernen Ausstattung stehen wir auch Ihnen gern als Kooperationspartner zur Verfügung.

Kontakt

M.Sc. Janine Dubiel
dubiel(at)kuz-leipzig.de
+49 (0)341 4941 811

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Reg.-Nr.: MF130017