DFG-Projekt „Partikelgefüllte thermoplastische Kunststoffe mit definierter nanostrukturierter Partikelgeometrie“, kurz NanoShape, am Fachgebiet Kunststofftechnik gestartet

Das Projekt ist eine Kooperation zwischen dem Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik, Fachgebiet Technische Elektronik (AG Hillmer) und dem Institut für Werkstofftechnik, Fachgebiet Kunststofftechnik (AG Heim). Während der Laufzeit von drei Jahren konzentriert sich die AG Hillmer auf die Entwicklung innovativer Methoden zur Herstellung mechanisch hochstabiler Partikel. Zu Beginn liegt der Fokus dabei auf der Produktion von Partikeln in größerem Maßstab (>5 mm Länge), um makroskopische Materialeigenschaften wie das Elastizitätsmodul zu bestimmen und eine geeignete Materialauswahl zu treffen. Im weiteren Verlauf werden Partikel mit komplexen Geometrien entwickelt und verarbeitet. Die AG Heim ist für die mechanische Charakterisierung der entwickelten Partikel sowie für deren Integration in eine thermoplastische Kunststoffmatrix (Polypropylen und Polylactid) zuständig. Dabei werden entscheidende Faktoren wie Temperatur- und Scherbeanspruchung analysiert, da diese die Form und Größe der Partikel im Verbund beeinflussen. Die abschließende Bewertung der Verbundwerkstoffe erfolgt durch detaillierte Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften sowie der Partikelverteilung nach der Verarbeitung im Doppelschneckenextruder und im Spritzgießprozess.

Bisherige Forschungsarbeiten zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften von partikelverstärkten Kunststoffverbunden nicht nur von den verwendeten Füllstoffen abhängen, sondern auch von deren Form, Größe und Oberflächenstruktur. Während herkömmliche Füllstoffe oft einfache Geometrien aufweisen (z. B. Glaskugeln oder Glasfasern), bietet das Projekt NanoShape die Möglichkeit, durch optische Lithografie, Nanoimprint-Lithografie (NIL) und Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) hochkomplexe und exakt definierte 2D-, 2,5D- und 3D-Partikel herzustellen.

Die zentrale Hypothese des Forschungsvorhabens ist, dass die Geometrie der Füllstoffe gezielt zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffverbundes eingesetzt werden kann. Dabei wird der Einfluss der Partikelform, die Feinstrukturierung sowie die dimensionale Ordnung untersucht. Im Verlauf des Projekts werden die Partikel zudem weiter miniaturisiert, um die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Form, Größe und den mechanischen Eigenschaften detailliert zu analysieren. Für Partikel ab einer Größe von 500 μm sind darüber hinaus in-situ-Experimente geplant, um das Schädigungs- und Bruchverhalten direkt zu visualisieren. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer Bewertungsmethode zur Quantifizierung des Schädigungsgrades der Partikel in Abhängigkeit ihrer Geometrie. Mit diesem interdisziplinären Ansatz leistet das Projekt NanoShape einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung leistungsfähiger Kunststoffverbunde und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch gezielt strukturierte Partikel