Polymernanokomposite übernehmen die Qualitätskontrolle
Polymernanokomposite werden durch Mischen von geschmolzenen Polymeren mit Nanopartikelzusätzen in einem Extruder hergestellt. Beim Einsatz von funktionellen Nanopartikeln in Polymeren handelt es sich um eine der vielversprechendsten Anwendungen dieser neuen Klasse von Materialien. In geringen Mengen verbessern Nanopartikel Feuerbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit sowie optische und auch mechanische Eigenschaften von Polymernanokompositen. EU-finanzierte Wissenschaftler haben nun eine neue Technologie entwickelt, die eine präzise Kontrolle der Polymernanokompositeigenschaften während der Produktion ermöglicht. Die innerhalb des Projekts NANOONSPECT (Reliable integrated on-line characterisation tool for thermoplastic compound) entwickelte onBOX gestattet die Überwachung von Dispersion, Partikelgröße und Partikelnetzbildung mit hoher Auflösung. In dieses Gerät sind neuentwickelte Onlinesensoren integriert, welche die Schmelzeigenschaften während der Polymernanokompositproduktion analysieren. Die onBOX beinhaltet ein Kapillarviskosimeter sowie Sensoren für thermische und elektrische Leitfähigkeit, Temperatur, Dichte und Druck. Nahinfrarot- und Ramanspektrometer liefern Informationen über den Dispersionsprozess und Mikrowellensensoren überwachen das Agglomerationsverhalten. Um eine ausreichende Dispergierung der Nanopartikel sicherzustellen, müssen viele Prozessvariablen überwacht werden. Zur Lösung eines derartigen multivariaten Problems entwickelten die Projektpartner ein technisch ausgereiftes Kontrollsystem auf Basis eines künstlichen neuronalen Netzwerks (Artificial Neural Network, ANN). Ein ANN ahmt die Funktion des menschlichen Gehirns nach, wobei die Verbindungen zwischen den Neuronen die am besten geeignete Reaktion auf Sinnesreize festlegen. Einerseits berechnet ein ANN die Offline-Materialeigenschaften aus online gemessenen Eigenschaften. Andererseits schlägt ein Expertensystem geeignete Prozessparameter vor, um die gewünschte online überwachte Eigenschaft zu erzielen. Des Weiteren wurde eine neue Technologie zum Compoundieren (Nexxus Channel) an die Prozesslinie angepasst, die eine ausgezeichnete Dispersion von Nanopartikeln aus Schlämmen in der Polymermatrix ermöglicht. Durch synergetisches Zusammenwirken sorgen die neu entwickelten Technologien für eine hohe wie auch konstante Produktqualität mittels anpassungsfähiger Steuerung. Das neue Steuerungssystem ist im industriellen Maßstab von zwei kleinen Unternehmen aus dem Konsortium erprobt worden, welche die große Basis an potenziellen kleinen Unternehmenskunden repräsentieren. Es war stets in der Lage, unter Einsatz der aus dem Compoundierungsprozess herrührenden Signale die am besten geeignete Reaktion zu erzeugen. Eine präzise Kontrolle über die Parameter des Polymernanokomposit-Extrusionsprozesses - und im Anschluss daran - die Endprodukteigenschaften war in der Vergangenheit nicht möglich. Das NANOONSPECT-Projekt konnte nun die Tür zu qualitativ hochwertigen, maßgeschneiderten Polymernanokompositerzeugnissen öffnen. Weniger Umweltbelastungen werden außerdem in Hinsicht auf einen geringeren Energie- und Rohstoffverbrauch von Vorteil für die Hersteller sein.
Schlüsselbegriffe
Qualitätskontrolle, Polymernanokomposite, anpassungsfähige Prozesssteuerung, NANOONSPECT, künstliches neuronales Netz