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Bewertung kreislauffähiger Werkstoffe für die Elektrotechnik

Allgemeine Informationen

Projektnummer 61807306
Projekttitel laut Förderbescheid Bewertung kreislauffähiger Werkstoffe für die Elektrotechnik
Akronym CircMat4EE
Projektlaufzeit 03.05.2024 - 30.06.2027
Forschungsschwerpunkt Werkstoffe - Struktur - Oberflächen
Projektkategorie Forschung
Zuordnung
Kompetenzfeld Energie und Umwelt
Themengebiet Werkstoffe
Grundeinheit Zittauer Institut für Verfahrensentwicklung, Kreislaufwirtschaft, Oberflächentechnik, Naturstofffors

Inhaltliche Projektbeschreibung

Das Ziel des Vorhabens ist es, im chemischen Labormaßstab neu entwickelte Materialien, welche grundsätzlich im Rahmen einer "Circular Economy" eingesetzt werden könnten, hin-sichtlich ihrer Eignung für Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik, insbesondere der Hochspannungstechnik zu untersuchen und ggf. zu validieren. Der Schwerpunkt befindet sich dabei auf den silikonbasierten Vitrimeren. Diese haben das Potential bisherige Materialien, die nur schwer stofflich zu recyclen sind, zu ersetzen. Siehe dazu auch: https://www.hszg.de/news/silikon-recycle-dich

Die Polymerketten herkömmlicher (Silikon-)Elastomere sind permanent kovalent miteinander verknüpft. Wird das polymere Netzwerk erhitzt, so findet eine unkontrollierte Zersetzung des Materials statt, sodass ein Recycling analog zu Thermoplasten nicht gewährleistet werden kann. Seit Beginn der 2010er Jahre etabliert sich eine neue Materialklasse der so genannten Vitrimere in der naturwissenschaftlichen Fachwelt. Die Idee dieser Materialklasse beinhaltet, dass kovalente Vernetzungspunkte nicht mehr permanent, sondern dynamisch sind. Bei erhöhten Temperaturen finden Austauschreaktionen an diesen Punkten statt, sodass eine Umformbarkeit bzw. ein potenzielles Recycling von Silikonen ermöglicht werden kann.

Nach aktuellem Kenntnisstand liegen bislang keine Untersuchungen zu den dielektrischen Eigenschaften silikonbasierter Vitrimere vor. Ziel dieses Projekts ist es daher, diese Eigenschaften systematisch zu untersuchen und zu charakterisieren.

Abbildung 1: Schematischer Vergleich von herkömmlichen Elastomeren zur Materialklasse der Vitrimere

Projektstand:

Zu Beginn des Projektes wurde eine umfangreiche Literaturrecherche hinsichtlich Synthesestrategien bisher veröffentlichter Poly(dimetyhlsiloxan) (PDMS)- basierter Vitrimere bzw. zur Umwandlungsmöglichkeiten von statischen PDMS-Netzwerken zu dynamischen (vitrimer-artigen) Polymernetzwerken durchgeführt. Bei der Auswahl der späteren Synthesen wurde auf folgende Punkte Wert gelegt:

- Geringer Syntheseaufwand mit guten Up-Scale-Potenzial

- Verzicht auf organische Lösungsmittel bzw. Reagenzien, die Reach-Restrictions unterliegen.

- Verfügbarkeit von Chemikalien auf dem Markt

Aus dem erhaltenen Literaturdatensatz wurden drei Synthesen identifiziert und im Labor getestet. Als vielversprechendstes System erwies die Synthese der vinylogen Urethane auf Basis der Arbeiten von Spiesschart et al. [1]. Hierbei wird Amino-terminiertes Polydimethylsiloxan mit einem Tris-Acetoacetat-Vernetzer bei 80°C umgesetzt. Gleichzeitig kann in das Netzwerk hochdisperse Kieselsäure als mechanischer Verstärker integriert werden.

 

Abbildung 2: Herstellung von vinylogen Urethanen durch die Umsetzung von aminoterminierten-PDMS mit dem trifunktionalen TMP-AA

Es konnte zudem bereits ein Up-Scale der Literatursynthese auf 200 g Material je Batch durchgeführt werden, wodurch die Voraussetzung zur Charakterisierung auch für elektrotechnische Versuche ermöglicht wurde. Die hergestellten vinylogen Urethane können zerkleinert und anschließend via Heißpressverfahren rezykliert werden. (siehe Abbildung 3)

Aktuell laufen derzeit die Charakterisierungen der gefüllten und ungefüllten Vitrimere sowie Vergleichsmessungen zu Referenzmaterialien, die u.a. bereits in der Hochspannungstechnik Anwendung finden. Weiterhin werden unerwartete Effekte detaillierter betrachtet. 

Abbildung 3: Ergebnisse auch Neuverpressversuchen via 1000 kN-Heißpresse. Zerkleinertes Material wird unter Druck und Temperatur wieder zusammengefügt.

 

Über Projektergebnisse wird laufend auch auf Tagungen berichtet. Weiterhin wurde das Projekt in einem Workshop mit Industriebeteiligung rege diskutiert. 

 

 

[1]        Y. Spiesschaert, M. Guerre, L. Imbernon, J. M. Winne, and F. Du Prez, “Filler reinforced polydimethylsiloxane-based vitrimers,” Polymer, vol. 172, pp. 239–246, May 2019, doi: 10.1016/j.polymer.2019.03.075.


 

Weitere Daten

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