title: Über materiale und wirtschaftliche Perspektiven von Hectorit
Creators: name: Kunz, Raphael
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2020
Subjects: subject: Hectorit
subject: Schichtsilicat-Polymer-Nanokomposite
subject: Quellung
subject: 540

description: Diese Arbeit enthält drei große Themengebiete, die unterschiedliche Perspektiven auf das synthetische Schichtsilicat Hectorit enthalten. Alle drei Themen fokussieren sich auf die Herstellung kommerziell relevanter polymerbasierter Nanokomposite. Die erste Publikation dieser Arbeit behandelt ein neues Substrat für Leiterplatten. Aktuelle Platten bestehen aus glasfaserverstärkten Epoxidharzen, die in ihren mechanischen, thermomechanischen und Flammschutz-Eigenschaften sowie ihren dielektrischen Anforderungen maßgeschneidert sind, jedoch toxische Additive enthalten und unzureichend recycelbar sind. Deshalb muss ein neues Substrat gefunden werden, welches materielles Recycling ermöglicht und gleichzeitig die immer strikteren anwendungsbezogenen und umwelttechnischen Anforderungen erfüllt. Das thermoplastische Hochtemperatur-Polymer Polyetherimid erfüllt die die thermische Stabilität sowie mechanische und dielektrische Eigenschaften, aber benötigt zusätzlichen Flammschutz und eine Reduktion der thermischen Ausdehnung. Die thermische Ausdehnung des Substrats ist entscheidend beim Setzen von Lötpunkten auf die Kupferbahnen; wenn sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Kupfer zu stark unterscheiden, kann die thermische Spannung zum Bauteilversagen führen. Hectorit in Nanokompositen vermag die Entflammbarkeit durch Krustenbildung zu hemmen. Die Fähigkeit, die thermische Ausdehnung des Komposits zu reduzieren ist das Kernthema dieser Publikation. Es gibt eine Vielzahl von Modellen, die den Ausdehnungskoeffizienten von Nanokompositen mit anisotropem Füllstoff in Abhängigkeit des Aspektverhältnisses vorhersagen. Um das zuverlässigste Modell herauszufinden, wird Hectorit in zwei sehr unterschiedlichen Aspektverhältnissen in das Polymer compoundiert. Ein Vergleich mit den experimentell ermittelten Ausdehnungskoeffizienten zeigt, dass Lus Modell die beste Übereinstimmung hat. Anhand dieser Erkenntnis wird eine ideale Kombination der Parameter Volumenanteil (13 Vol %) und Aspektverhältnis (1.000) des Füllstoffs suggeriert. Der Fokus des zweiten Manuskripts ist die wirtschaftliche Bedeutung der Einsparung von Lösungsmittel während der Herstellung lösungsmittelbasierter Nanokomposite. Die Verarbeitung von Hectorit mit großem Aspektverhältnis ist an große Lösungsmittelmengen geknüpft, da die große Grenzfläche die durch delaminiertes Schichtsilicat zu einer hohen Viskosität führt, die mit mehr Lösungsmittel ausgeglichen werden muss, um die Suspension prozessfähig zu machen. Die Viskosität könnte jedoch reduziert werden, wenn die Organophilierung des Hectorits oder die Interaktion mit dem Polymer (durch Mischen oder in-situ Polymerisation) innerhalb von Taktoiden des Schichtsilicats stattfinden würde. Eine für Makromoleküle ausreichend große Zwischenschicht-höhe ist Voraussetzung, um lösungsmittelbasierte Nanokomposite so verarbeiten zu können. Deshalb behandelt dieses Manuskript den Einfluss verschiedener wässriger Acetonitrilmischungen auf das Quellverhalten von Natriumhectorit. Bis zu einem hohen Acetonitril-Volumenanteil von 65 Vol % wird osmotische Quellung beobachtet. Bei noch höheren Acetonitril-Anteilen kann eine stufenartige kristalline Quellung festgestellt werden, die von 33,3 Å bis 14,8 Å in reinem Acetonitril reicht. Das interessanteste entdeckte Quellungsphänomen ist jedoch eine geordnete Wechsellagerung zweier strikt alternierender Lösungsmittel-Zusammensetzungen in den Zwischenschichten, die zu einem Überstrukturreflex in der Weitwinkel-streuung führten. Das Thema des dritten Manuskripts ist die Energieeffizienz von Leichtbauteilen in der Luftfahrt. Flugzeuge bestehen bereits aus bis zu 50 % kohlenfaserverstärken Kunststoffen (CFK), die immer mehr metallische Komponenten ersetzen. Während das Kompositmaterial in der Lage ist, die Festigkeit metallischer Komponenten zu kopieren, ist die Bruchzähigkeit immer noch eine Herausforderung. Der Einbau thermoplastischer oder elastomerer Partikel erhöht zwar die Bruchzähigkeit, doch verschlechtert gleichzeitig die Festigkeit. Hectorit ist in der Lage, die Bruchzähigkeit von Polymeren zu erhöhen, ohne die Festigkeit einzuschränken. Literaturergebnisse hinsichtlich der Fähigkeit von Schichtsilicaten in CFK, die kritische Energiefreisetzung bei einfacher Rissöffnung (Modus I) und Längsscherung (Modus II) zu verbessern sind jedoch widersprüchlich. Auch Vergleiche verschiedener Resultate sind aufgrund der Parametervielfalt und materialspezifischer Abhängigkeiten sehr schwierig. Um den Parameterraum des Schichtsilicatfüllstoffs zu bewerten, werden zwei Schichtsilicate, Montmorillonit und Hectorit, mit stark unterschiedlicher Partikelgröße sowohl in reines Epoxidharz als auch CFK mit einem hohen Faseranteil von 60 Vol % compoundiert. Während die großen Hectorit-Partikel die kritische Energiefreisetzung in Modus I weiter verbessern können als die Montmorillonit-Partikel, sind sie nicht in der Lage in Modus II zu einer Verbesserung zu führen. Der Grund dafür ist der limitierte Platz aufgrund des hohen Faseranteils, der als eine Art Filter für große Partikel agiert. Die Partikel überbrücken die Zwischenräume und verhindern so die Ausbildung von Hackling-Strukturen, die für einen Anstieg der Energiefreisetzung verantwortlich sind. Um die Bruchzähigkeit in beiden Modi zu erhöhen, muss entweder die Partikelgröße oder der Faseranteil reduziert werden. Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine kumulative Dissertation. Eine detaillierte Beschreibung befindet sich in den angehängten Manuskripten.