ZBT-Forscherin Elisabeth Verweyen präsentiert Fortschritte bei der Entwicklung leitfähiger Polymercompounds

Mit neuen Forschungsergebnissen zur Verarbeitung hochgefüllter Polymercompounds hat das ZBT seine Arbeiten auf der 41. International Conference of the Polymer Processing Society (PPS-41) in Italien sowie der 22. European Conference on Composite Materials (ECCM22) in Norwegen vorgestellt.

Im Mittelpunkt der Vorträge von ZBT-Wissenschaftlerin Elisabeth Verweyen standen Werkstoffe und Herstellungsverfahren für leitfähige Bipolarfolien und -platten, die in elektrochemischen Energiesystemen wie Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren eingesetzt werden.

Hochgefüllte Polymercompounds gelten als vielversprechende Alternative für die Herstellung leitfähiger Komponenten. Ihr hoher Anteil an leitfähigen Füllstoffen stellt jedoch besondere Anforderungen an den Compoundier- und Extrusionsprozess. Um diese Zusammenhänge besser zu verstehen und die Werkstoffe gezielt weiterzuentwickeln, untersucht das ZBT sowohl die Materialzusammensetzung als auch die Prozessführung bei der Doppelschneckenextrusion.

Im Rahmen des IGF-Projekts TheBiPo wurden kontinuierliche Herstellungsverfahren für dünne leitfähige Bipolarfolien entwickelt. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Verarbeitung der Compounds in einem aufklappbaren Doppelschneckenextruder, der eine direkte Probenahme während des laufenden Prozesses ermöglicht. Dadurch lassen sich die Compoundierungsmechanismen besser analysieren und Prozessparameter gezielt optimieren. Die Arbeiten werden im BMWK-geförderten Folgeprojekt ProBiMa gemeinsam mit einem erweiterten Industriekonsortium in Richtung industrieller Fertigung weiterentwickelt.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Analyse der Compoundierung hochgefüllter Polymere in einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder mit aufklappbarem (Clamshell-)Zylinder. Diese Versuchsanlage ermöglicht es, während des laufenden Extrusionsprozesses Proben an definierten Positionen entlang der Schneckenlänge zu entnehmen. Dadurch können die lokalen Compoundierungsmechanismen sowie der Einfluss einzelner Prozessschritte auf die späteren Materialeigenschaften detailliert untersucht werden.

Im Projekt GRETE analysierten Elisabeth Verweyen, Tim Sulewski (FH Aachen) und Dr. Marco Grundler (ZBT) hochgefüllte Polypropylen-Compounds mit einem Füllstoffanteil von 54 Vol.-%, deren Verhältnis von Graphit und Ruß systematisch variiert wurde. Umfangreiche thermoanalytische, rheologische, elektrische und mechanische Untersuchungen zeigen, dass ein höherer Rußanteil zwar die elektrische Leitfähigkeit verbessert, gleichzeitig aber die Viskosität sowie die Anforderungen an den Extrusionsprozess erhöht. Die Ergebnisse tragen dazu bei, geeignete Materialrezepturen und stabile Prozessfenster für die Herstellung leitfähiger Compounds zu identifizieren.

Auf diesen Erkenntnissen bauen die Arbeiten des IGF-Projekts TheBiPo auf. Ziel des Projekts war die Entwicklung kontinuierlicher Herstellungsverfahren für dünne leitfähige Bipolarfolien für Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Verständnis der lokalen Vorgänge während der Compoundierung eine wesentliche Voraussetzung für die reproduzierbare Herstellung leistungsfähiger Bipolarfolien ist. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse fließen inzwischen in das BMWK-geförderte Folgeprojekt ProBiMa ein, in dem gemeinsam mit einem erweiterten Industriekonsortium die Industrialisierung der kontinuierlichen Extrusion leitfähiger Bipolarfolien weiter vorangetrieben wird.

Mit den Präsentationen auf der PPS-41 und der ECCM22 machte das ZBT seine Forschung einem internationalen Fachpublikum aus den Bereichen Polymerverarbeitung, Verbundwerkstoffe und elektrochemische Energietechnik zugänglich. Der Austausch mit Wissenschaft und Industrie unterstützt den Transfer der Forschungsergebnisse und stärkt die Weiterentwicklung innovativer Materialien und Fertigungsverfahren für zukünftige Energiesysteme.

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