Wolframix

Industrielle Applikation von Wolfram-nano-Pulver in Kunststoffen

Präambel:

Die Grundfrage lautet: Wie bekomme ich Wolfram zu Nanopulver und verarbeite es zugleich in Kunststoffen, sodass letztere sonach signifikant höhere Härtegrade erzielen und demgemäß weniger Material (Masse & Gewicht) benötigen? LP hat sich dieser Frage angenommen und die nachstehenden Lösungsansätze konzipiert. Aus Gründen des Knowhow-Schutzes weist folgender Exkurs allerdings nur sehr geringfügig die LP-Methodik (LPM) aus. Gleichwohl unterliegt auch dieses Skript bereits dem Urheberrechtschutz.

Art. 1

Grundsätzliches

Alle organische sowie anorganische Stofflichkeit innerhalb unseres Existenzbereichs besteht aus insgesamt 81 stabilen Elementen. Wolfram nimmt gemäß Ordnungszahlen Platz 74 ein, hingegen die 3 Wesenselemente des Kunststoffs gleich am Anfang des Periodensystems rangieren: Wasserstoff (H=1), Kohlenstoff (C=6) und Sauerstoff (O=8). Weiterer, großer Unterschied: Wolfram ist anorganisch, Kunststoff organisch. Sämtliche Eigenschaften von ersterem und letzterem können zudem unterschiedlicher kaum sein. Die zu überwindende Kluft, beides dergestalt miteinander zu kombinieren, sodass sich nicht nur eine chemische wie physikalische Verträglichkeit einstellt, sondern überdies auch noch ein gesamtindustrieller Nutzen mit markttauglichem und wettbewerbsfähigem Alleinstellungsmerkmal dabei entsteht, welcher auch noch unsere plastikverseuchte Umwelt entlastet, indem weniger Kunststoff dank höherer Kunststoffhärte benötigt wird, ja diese Diskrepanz zu überwinden verlangte von LP ein hohes Maß an vielfachlicher Kompetenz ab. Um die Erfordernisse an kombinatorischen Komplexitäten zunächst auf ein Minimum zu reduzieren, sei zuvörderst festgestellt, dass jedes chemische Element immer und ausnahmslos seinen ganz eigenen unverwechselbaren „Daumenabdruck“ hat, quasi also seine immerzu höchsteigene „DNA“. Die jeweiligen Eigenheiten sind jedem bereits aus dem Chemieunterricht bekannt. D.h., wir unterscheiden die einzelnen chemischen Elemente sowohl anhand ihrer chemischen als auch physikalischen Eigenschaften. Da aber die chemische Kombinanzfähigkeit im vorl. Fall praktisch kaum gegeben ist, fällt der grundlegende Forschungsfokus auf die physikalischen Parameter (deren Kenntnisstand selbstredend vorausgesetzt wird).

Art. 2

Physikalische Isolierung von Wolfram

Die elementare Einzigartigkeit von W wird folgenderweise zunutze gemacht: sein Schmelzpunkt ist keinem anderen Element gleich (auch keiner Legierung). Die einzusetzende Isolierungskraft ist demgemäß die Schmelztemperatur. In diesem Wege wird sodann der fluide Aggregatzustand des Elements mittels präzis zugerechneter Zentrifugalkräfte in eine nebelartige „Dampfwolke“ aus reinen W-Nano-Partikelchen versetzt, deren folgerichtiger Niederschlag das gewünschte W-nano-Pulver ergibt. So weit, so gut. Die Technologie aber ist weit komplexer und komplizierter als eben beschrieben bzw. in hinweisender Abbildung stark simplifiziert angedeutet (knowhowschutzbedingt). Die zu komplementierenden Größen und anzuwendenden Kräfte werden in zahlreichen mathematischen und physikalischen Teilschritten determiniert und kombiniert. Dies bedarf eines immensen interdisziplinarischen Forschungsaufwands, welchen LP in forschungswissenschaftlicher Personalunion vollführt hat.

Art. 3

Grundeigenschaften von Wolfram

ist ein Refraktärmetall (lat.: refractarius = widerspenstig) welches im Periodensystem (Ordnungszahl 74) neben Chrom (24) und Molybdän (42) der 6. Nebengruppe, NG, (Chromgruppe) angehört und infolgedessen als Übergangsmetall* zu klassifizieren ist (*Begriff dafür, dass bei Teilbesetzung von d-Orbitalen ungepaarte Elektronenspins entstehen, was – atomar – ein magnetisches Moment mit para-/ ferro-/ ferri- sowie antiferro-magnetischer Verhaltensweise verursachen kann).

Doch verglichen mit den Refraktärmetallen der 4. NG (Titan, Zirconium Hafnium), der 5. NG (Vanadium, Niob und Tantal), sowie mit vorgenannten der 6. NG (Chromgruppe), besitzt W das größte Einmaligkeitsspektrum. […] Dies wird vornehmlich an seinem extremhohen Schmelzpunkt (≤3.423◦C) und Siedepunkt (5.555°C) deutlich (vgl.: Außenrand der Sonne = 5.700°C). Damit ist es nach Kohlenstoff, der bekanntlich überhaupt nicht schmilzt, von keinem Element übertreffbar, und nur ganz minimal vom Siedepunkt des Rheniums (75, direkt im Anschluss an Wolfram, allerdings das erste in der 7. NG, der Mangangruppe). Auch lässt es sich weder in „Königswasser“ noch in *Fluorwasserstoffsäure lösen, sondern einzig in Mischung aus Salpeter- und *Flusssäure. Und viele weitere Alleinstellungsmerkmale!

So z.B. ist Wolfram, bedingt durch seine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur, nur schwer verformbar und daher nur unter ganz spezifischen mechanisch-physikalischen Faktorgrößen industriell einsetzbar. In diesem Zusammenhang wird vor allem die Festigkeit von W durch den Reinheits- und Umformgrad komplementär beeinflusst: je stärker (bei umso niedrigerer Temperatur) die Umformung, desto höher die Festigkeit. Kraft größeren Umformungsgrads nämlich wird durch die Kornfeinung ein immer feineres Korngefüge nebst Erhöhung der Korngrenzflächen erzielt. Dies ist insofern wichtig, als der Grad der Verunreinigung an den Kornflächen sinkt, wodurch die Festigkeit an den Korngrenzen wiederum steigt […]

Resümiert: je höher die Verunreinigung an den Korngrenzen, desto „schwächer“ das Wolfram. Es beginnt ab ~1300◦C zu rekristallisieren, was zu Kornwachstum und infolgedessen auch zur Veränderung des Wolframgefüges selbst führt. Rekristallisiertes Wolfram nämlich hat durch Veränderung der Kornstruktur (Kornwachstum) ein entsprechend höheres Verunreinigen an den Korngrenzen (d.h. größere Körner auf kleinerer Korngrenzfläche) zur festigkeitsverringernden Konsequenz.

In tantum: bis zum Überschreiten der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur (DBTT= engl.: ductile to brittle transition temperature) läuft Wolfram Gefahr eines transgranularen Spaltbruchs dank intergranularem Korngrenzversagen. Doch die k.o.-kritische DBTT (±500°C) kann durch höheren Reinheits- und Umformungsgrad (bei möglichst niedriger Temperatur) für Wolfram maßgeblich gesenkt werden: je dünner beispielsweise Wolframfolien oder -drähte, desto höher der spezifische Umformungsgrad, und desto niedriger folglich die DBTT (unter verfahrensspezifikatorischen Voraussetzungen gerne auch unterhalb der Raumtemperatur). Hauptentscheidende Größe: der Reinheitsgrad! (Obige Formel dient hierbei als mathematisches Analysemodul).

Die Qualität von Wolfram wird also maßgeblich durch dessen Reinheitsgrad resp. dessen nanokristallinen Anteil an seinen inneren Grenzflächen bestimmt. An letzteren bilden sich polykristalline Festkörper, welche einen durchschnittlichen Korndurchmesser von <100nm aufweisen. Je höher also dieser nanokristalline Anteil, desto höher auch die Zug-/Bruchfestigkeit sowie Abriebbeständigkeit, ohne die Duktilität zu beeinträchtigen. Seine technologische Nutzbarkeit im Kunststoffbereich erfordert allerdings auch eine dementsprechende Stabilisierung der jeweiligen Phasen innerhalb dieses nanokristallinen Gefüges. So zum Beispiel führt eine überhohe Grenzflächendichte im nanokristallinen Zustand zu entsprechend höherer Phasenstabilität. Zur korrelativen Determinierung der nanokristallinen Struktur und deren Phasenstabilität des Wolfram setzt LP zunächst ein lateral hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop ein. Dieses gewährt Einblicke in die nanokristallinen Gefügebestandteile (teils sogar bis in den Subnanometerbereich), indem es vermöge der sog. Nanostrahlelektronen-beugung identifikatorische Abbildungen der Wolframkristallgitterstruktur liefert. Diese von LP neu angewandte Nanostrahlelektronenbeugung im Transmissionselektronenmikroskop (siehe Abbildung) führt zur Bildung von Beugungsmustern in winzigen Nanokristallzonen; d.h, die von LP angewandte Analyse nanoskaliger Gefügebestandteile im Wolfram via vorgenannter kristallographischer Nanostrahl-Elektronenbeugungstechnik wird weltweit nirgends eingesetzt.

Dies mag einesteils daran liegen, dass die LP-Methode (LPM) dank angewandter Integrale und Differenziale einzig imstande ist, auch unregelmäßige Nanostrahl-Elektronenbeugungsmuster präzis auszuwerten (womit ein direktes Vermessen dieserart Muster überhaupt erst ermöglicht wird), während andernteils die LPM eine möglichst detailgenaue Korngrenzanalyse in den nano-kristallinen Messbereichen statistisch dokumentiert. LPM impliziert auch, dass – ratiocinatio per analogiam – die Kristallgitterstruktur einzelner sog. nanoskaliger Gefüge-bestandteile interkomplementäre Struktureigenschaften des Phasenumwandlungsverhaltens in den nanokristal-linen Bereichen des Wolframs voraussetzt. Dieser LPM-erschlossene kausale Zusammenhang zw. den diversen Mechanismen einzelner (nanokristalliner) Mess-größen ermöglicht es letztendlich auch, dass eben genau jene qualitätsbedingenden Parameter dergestalt optimiert werden können, insofern die einzelnen Messungen immer auch zur ausschlaggebenden Größe des jeweils nachfolgenden Applikationsschrittes führen.

Vermöge der LPM können sowohl das Gefüge selbst als auch die einzelnen Phasen in jenen nanokristallinen Bereichen des Wolframs wesentlich präziser determiniert werden, als es die konventionellen Determinanten bislang vermögen. Die LPM-Identifikation aller nanoskaligen Phasen sowie die LPM-Charakterisierung der Phasenverteilung im nano-kristallinen Gefüge, ferner die LPM-Analyse sämtlicher Orientierungsbeziehungen zwischen den nanoskaligen Körnern und Phasen tragen einzeln und gesamtheitlich entscheidend zur Stabilisierung der „Phasen“ und deren Umwandlungsverhaltens im nanokristallinen Zustand des Wolframs bei.

Die LPM-Nanostrahlelektronenbeugung – unter Mithilfe des Transmissionselektronenmikroskops – besitzt demgemäß ein klares USP, insofern konventionelle Beugungsanalysen einzelner Körner schlechtweg nur zur Orientierungs-/Korngrenzen-Analyse oder aber zur Phasenidentifikation im Rasterelektronenmikroskop mit Elektronenrückstreubeugung erfolgen. Das heißt aber auch, dass die nanoskaligen Strukturen des Wolframs vermittels konventioneller Messmethodik bereits dort ihre Auflösungsgrenzen erreichen, wo diese – sogar unter optimalen Bedingungen – eine materialabhängige laterale Auflösung von „nur“ 30 bis 50nm aufweisen. Hinzukommt, dass die laterale Auflösung bei der konventionellen Elektronenrücksteuerbeugung zusätzlich noch durch erhöhte Defektdichte, innere Spannungen, Probendrifte oder auch Oberflächenkontaminationen beeinträchtigt wird. Hingegen ermöglicht LPM die Determinierung von Beugungsmustern bis zu 1 nm, d.h. eine kristallographische Analyse einzelner Nanokörner. Im Wege LPM-kristallographischer Orientierungsbestimmung einzelner Nanokörner erweisen sich (bei Anwendung der Nanostrahlelektronen-beugung) folgende Vorteile gegenüber o.g. Konventionalmessungen:

Höhere laterale Auflösung durch kleineren Konvergenzwinkel.
Probe wird dank geringerer Intensität des Elektronenstrahls weniger kontaminiert.
Präzise LPM-Beugungsanalyse trotz stark deformierter Proben möglich, da LPM-Muster auch in Probenbereichen mit hoher Defektdichte generiert werden können, unterdessen die konventionellen Muster rasch verschmieren und verblassen.

Bei LPM-Auswertung der „Beugungsbilder“ werden die mit dem Elektronenstrahl korrelierenden Körner geometrisch an einer kristallographischen Zonenachse entlangorientiert. Die resultierenden Beugungsmuster weisen große Symmetrie auf und sind folglich recht einfach auszuwerten. Grundsätzlich können einzelne Nanokörner vermittels Doppelkipphalter in Richtung Zonenachse gekippt werden. Allerdings werden die Körner während des Kippens einerseits durch das Sichtfeld bewegt, was andererseits deren Kontrast und deren Konturen in der Abbildung entsprechend verändert. Für nanokristalline Bereiche des Wolframs aber ist das Verhältnis der jeweiligen Bewegungsstrecke zur Korngröße während des Kippens derart groß, sodass es ziemlich nervig sein kann, nanoskalige Körner während des Kippens zu verfolgen. Infolgedessen ist für eine gute Beugungsanalyse einzelner Nanokörner die Auswertung von unregelmäßigen LPM-Mustern irregulär angeordneter Nanokörner vonnöten.

Ferner brauchen solcherart *unregelmäßige Muster eine weitaus komplexere Auswertung als jene symmetrischen, was in praxi eigentlich nur vermittels einer eignungsfähigen Computersoftware erfolgen kann. *Letztere sind dank LPM jedoch die Ausnahme. (Obige Abbildung zeigt stark simplifiziert das hier kurz umrissene Kipp-/Auswertungsprozedere).

Art. 4

Integration von W-nano-Pulver in Kunststoff

Zur Integration von W-nano-Pulver in Kunststoffen stehen der Industrie kaum Wege offen. Zwar ließe sich dieses Pulver – welches herzustellen schon herausfordernd ist – per Compoundierung bei-/untermischen. Eine marktschreierische Schattenidee freilich, da solcherart Prozedere in etwa so vergleichbar wäre, als würde man bei Herstellung von Tongefäßen, Porzellan oder Fließen „Diamantenstaub“ der Grundmasse beigeben und so hoffen, dass das Endprodukt sonach „unkaputtbar“ sei.

Wirf einen Stein darauf, und es zerspringt… Die Crux an einer sinnvollen Integration unseres W-nano-Pulvers in den Compoundierungsprozess ist also die, dass dieses Pulver zu einer eingewebten Matrix wird, welche quasi als eine Art „Maschendraht“ in den Kunststoff hineingebettet wird. Unter spezifikatorischer Beachtung aller Ausdehnungskoeffizienten (K.O.–Kriterium!) sei das W-Nanopulver folgenderweise gewebt: W(II)-Iodid (WI2 – s. Abb. r.). Letzteres wird durch Zersetzen von W(III)-Iodid oder per Halogenaustauschreaktion aus W(II)-chlorid gewonnen. U.U. auch durch Umsetzung von W(VI)-chlorid mit Iodwasserstoff (bei 110 °C und anschl. Abbau bei 500 °C im Vakuum). Diese Methode aber ist m.E. zu kostspielig. Vorschlagsweise sei es daher bei Reaktion von I mit W reversibel herzustellen, ein Verfahren, das sich bekanntlich schon bewährt hat… Die Gewinnung von WI2 per Umsetzung von W-Hexacarbonyl mit I wäre (verfahrensabhängig) eine zusätzliche Option.

Das Ausführen weiterer Herstellungs-/Verfahrensweisen (z.B., wie bei W-Schmelze das Risiko eines transgranularen Spaltbruchs aufgrund intergranularen Korngrenzversagens, trotz der dabei weit überschrittenen DBTT, physikomathematisch gebannt werden kann) bleibt ab hier –IP-bedingt– ausgespart!

Das Gesamtknowhow befindet sich im FEAT-Forschungstresor unterliegt dem Urheberrechtsschutz (§ 106 UrhG § 78 Abs. 3 Nr.4 StGB).

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