Graphen-verstärkte Polymere marktbereit
Graphen ist nach wie vor mit hohen Kosten verbunden, die seine großmaßstäbliche Integration in kommerzielle Produkte uninteressant machen. Forscher in ganz Europa lassen sich davon jedoch nicht beirren und arbeiten weiter an der Entwicklung von Werkstoffen und Produktionsverfahren, die das Brancheninteresse wecken könnten, sobald größere Graphen-Chargen zu geringeren Kosten verfügbar werden. Das Projekt POLYGRAPH (Up-Scaled Production of Graphene Reinforced Thermosetting Polymers for Composite, Coating and Adhesive Applications) ist eines dieser bahnbrechenden Unterfangen. In Zusammenarbeit mit 14 Partnern, darunter kleine und mittlere Unternehmen (KMU), Unternehmen, Universitäten sowie einem Forschungszentrum, zielte das Projekt darauf ab, Graphen-verstärkte duroplastische Polymere in industrierelevanten Mengen bereitzustellen. „Wir haben uns verschiedene Methoden angesehen, um die thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften von Beschichtungen, Additiven und Verbundwerkstoffen zu verbessern“, erläutert Maria Konstantakopoulou, Entwicklungsingenieurin beim projektkoordinierenden Unternehmen Coventive Composites. Nachdem die Leistungsvorgaben definiert waren, wählte das Team geeignete Polymere aus, legte eine Reihe von Graphit- und Graphen-Sorten fest und bestimmte geeignete Exfoliations- und Dispersionsverfahren, mit denen die Forscher letztendlich den Produktionsmaßstab vergrößern und zugleich gewährleisten konnten, dass das Graphen im Endprodukt gut verteilt blieb. Erreichen wollte man damit die Produktion „in einem für andere Unternehmen tragfähigen Maßstab, sodass es für sie in Frage käme, unsere Lösung in ihre aktuellen oder künftigen Produkte zu integrieren“, wie Ben Hargreaves, der Koordinator des POLYGRAPH-Projekts, erklärt. Die großmaßstäbliche Umwandlung von Verbundwerkstoffen ist nach wie vor ein Faktor, der die Marktakzeptanz erschwert. Als es den Projektpartnern gelang, bis zu 100 kg Graphit und 25 kg Graphen pro Charge herzustellen, eröffneten sich damit neue Horizonte. Es wurden zahlreiche unterschiedliche Verbundwerkstoffe vom Projektkonsortium hergestellt, die anschließend nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit und ihren mechanischen Eigenschaften bewertet wurden. Die vielversprechendsten Beschichtungen, Klebstoffe und Verbunde wurden in Demonstrationsbauteilen eingesetzt, nämlich einem Strukturelement für die Luft- und Raumfahrt, einem beschichteten Radom/Verkleidungselement für die Luft- und Raumfahrt und einer hinteren Sitzlehnenverkleidung für die Automobilindustrie. Zu den Vorteilen zählen ein verbessertes Tragverhalten, ein geringeres Gewicht, eine bessere Ästhetik sowie elektrische und flammhemmende Eigenschaften. „Einer der Hauptvorteile der Graphen-verstärkten Verbunde aus diesem Forschungs- und Entwicklungsprozess liegt in ihren elektrischen Eigenschaften. Damit eigenen sie sich für die Abschirmung der elektromagnetischen Interferenz (EMI) oder zur Enteisung von Windturbinen“, betont Konstantakopoulou. Warten auf die richtige Gelegenheit Laut Gary Foster, dem Projektmanager von POLYGRAPH, sind die wirtschaftlichen Aussichten dieser drei Werkstoffe jeweils sehr unterschiedlich. „Was die Beschichtungen betrifft, kann unser Projektpartner HMG Paints im Prinzip bereits direkt in die Produktion übergehen, denn unsere Entwicklung ist gar nicht so weit von den Produkten entfernt, die dort bereits vertrieben werden. Klebstoffe sind hingegen schon etwas preissensibler. Das heißt zwar nicht, dass unsere Partner auf den Einsatz dieser Werkstoffe verzichten werden. Doch sie warten einfach auf den richtigen Zeitpunkt, wenn eine breitere Nachfrage nach diesem Produkt besteht.“ Das dritte Produkt, eine vorimprägnierte Verbundfaser (Prepreg), war für Coventive Composites von besonderer Bedeutung, wie Hargreaves betont: „Die Entwicklung eines Prepregs war im Projekt ursprünglich nicht in dem Ausmaß vorgesehen, in dem wir letztlich daran gearbeitet haben. Wir haben uns auch mit anderen Herstellungsverfahren, wie z. B. der Infusion, beschäftigt, doch es zeigte sich schon früh, dass ein Prepreg wohl das optimale Verfahren war.“ Hargreaves und Foster sind sich einig, dass sich das Unternehmen nun auf die Suche nach dem geeigneten Nischenmarkt für diesen Verbund konzentrieren sollte und dass künftige Anstrengungen darauf verwendet werden sollten, herauszufinden, was potenzielle Kunden benötigen und wie das Produkt auf ihre Anforderungen ausgerichtet werden kann. Bis dahin wird sich das Team der Weiterentwicklung von Graphen widmen. „Es besteht Bedarf an einer gewissen Generalisierung“, erklärt Foster. „Wenn wir unser Produkt beispielsweise im Luft- und Raumfahrtsektor einsetzen wollen, benötigen die Kunden vom Graphen-Hersteller bestimmte grundlegende Daten, die derzeit noch gar nicht verfügbar sind. Das sind allerdings Hindernisse, die von unserer Seite aus nicht bewältigt werden können.“ Vor diesem Hintergrund arbeitet das POLYGRAPH-Konsortium eng mit der Initiative „Graphene Flagship“ zusammen, um Wissenschaft und Industrie miteinander zu verbinden und so die Forschung der einen Seite besser auf die Anforderungen der anderen Seite auszurichten. Dies könnte es Coventive Composites letztendlich ermöglichen, innovative Lösungen für Einsatzzwecke wie EMI-Abschirmungen oder die Enteisung von Rotorblättern an Windturbinen auf den Markt zu bringen.
Schlüsselbegriffe
POLYGRAPH, Graphen, Beschichtungen, Klebstoffe, Prepreg, Verbunde, duroplastische Polymere
