Nanoclays – Schichtsilikate als Füllstoffe für Polymerbeschichtungen

Die Aplikation von Polymeren als Beschichtungsmaterial auf Textilien ist ein Standardausrüstungsverfahren in der Textilindustrie. Die Beschichtungspolymere werden üblicherweise in Form von Dispersionen, Lösungen, Pasten etc. aufgebracht. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurde untersucht, inwieweit Tonmineralien und organisch modifizierte Schichtsilikate (so genannte Nanoclays) als Füllstoffe geeignet sind, die funktionellen Eigenschaften der Polymerbeschichtungen positiv zu beeinflussen. Die Modifikation von Polymeren - wie Polyamiden oder Polyolefinen - mit Schichtsilikaten wird in der Literatur beschrieben und führt in vielen Fällen zu interessanten Eigenschaften. Die Kompositbildung erfolgt dabei in den allermeisten Fällen über das Einbringen des Schichtsilikates in die Polymerschmelze oder aber durch Modifikation der Monomere vor der olymerisation.

Die Beschichtung von textilen Flächengebilden mit Polymeren findet im Allgemeinen bei den Ausrüstern statt, die hierzu fertig applizierbare Polymerformulierungen einsetzen. Im Rahmen dieses Projektes wurde untersucht, welche Verbesserungen sich bei solchen Formulierungen über das Eindispergieren von Tonmineralien erzielen lassen. Für die Modifizierung wurde eine Vielzahl von gängigen Polymerformulierungen, basierend auf Polyurethanen, Polysiloxanen, Polyacrylaten, PVC oder Polyethylenvinylacetat, ausgewählt. Unter den eingesetzten Systemen waren wässrige, lösemittelbasierte und auch unverdünnte selbstvernetzende Formulierungen. Die Modifizierung erfolgte sowohl mit organisch modifizierten Nanoclays als auch mit rein anorganischen Schichtsilikaten. Um ein gleichmäßiges Einbringen der Tonminerale in die Polymere zu verbessern, wurden z.T. unterschiedliche Ansätze verfolgt, wie z.B. ein in-situ-Ionentausch beim Dispergierprozess urch den Einsatz entsprechender Additive oder ein Vorquellen der Schichtsilikate.

Die nach den verschiedenen Ansätzen hergestellten Komposite wurden zum einen hinsichtlich der Einbettung der Schichtsilikate in die Polymermatrizes, zum anderen hinsichtlich der erzielten Eigenschaftsänderungen charakterisiert. Mit Hilfe von XRD- und REM-Untersuchungen wurde geprüft, inwieweit sich homogene Beschichtungen ausbilden und inwieweit sich die Schichtsilikate beim Einbau in die Matrizes aufweiten bzw. abschälen.

Im Rahmen der getesteten Systeme gelingt in allen Fällen eine Aufweitung der Schichtsilikate nach Einbringen in die Polymere. Ein vollständiges Abschälen kann nur bei einem der verwendeten Polymersysteme (Siloxan) festgestellt werden, bei anderen kann dies aufgrund der Ergebnisse nur gemutmaßt werden. REM-Untersuchungen zeigen, dass sich in den meisten Fällen über den Querschnitt homogene Beschichtungen ausbilden.

Die Modifikation der Beschichtungspolymere wirkt sich, wie erhofft, positiv auf eine Vielzahl der untersuchten Eigenschaften der eingesetzten Polymere aus. So können bspw. bei einem Polyurethan Eigenschaften wie die Zugfestigkeit, die Abrasionsbeständigkeit, die Wasserdampfbarriere und bei geeigneter Modifikation die Entflammbarkeit deutlich verbessert werden, indem rein anorganische Tonmineralien für die Herstellung des Komposites eingesetzt werden. Ähnlich positive Effekte findet man z.B. für Ethylenvinylacetat, das mit organisch modifizierten Nanoclays modifiziert wurde. Ebenso findet man bei den anderen verwendeten Polymerformulierungen verschiedene Verbesserungen, die in vielen Fällen sehr stark vom verwendeten Schichtsilikat bzw. von den zur Kompositherstellung verwendeten Ansätzen (Vorquellen, Additive) abhängen.

Es wurde auf Grundlage der erzielten Daten versucht, Gesetzmäßigkeiten herauszuarbeiten, die geeignet sind, eine Empfehlung oder Vorhersage über geeignete Tonmineral – Polymer-kombinationen bzw. zu erzielende Verbesserungen machen zu können. Die Ergebnisse erlauben trotz der großen Zahl der getesteten Kombinationen eine solche Vorhersage zurzeit nicht, so dass aufgrund der Vielzahl von Einfluss nehmenden Parametern eine Prüfung im Einzelfall angezeigt ist.

(pdf-Nanoclay)

Angaben zum Forschungsvorhaben:
Nanoclays – Schichtsilikate als Füllstoffe für Polymerbeschichtungen
IGF-Vorhaben Nr. 15577 N1
Laufzeit: 01.03.2008 - 30.06.2010
Ansprechpartner: Dr. Torsten Textor, Tel.: +49-2151-843-0, e-Mail: info@dtnw.de