Forschungsbericht 2007
Elektrisch leitfähige Carbon Nanotube/Polymer-Verbundwerkstoffe
Einführung Polymere können durch Zugabe geeigneter Füllstoffe mit einer gewissen elektrischen Leitfähigkeit versehen werden, um zum Beispiel statische Aufladungen zu vermeiden. Um die mechanischen Eigenschaften des Polymers durch den Füllstoff nicht zu verschlechtern, ist es wichtig, die Konzentration möglichst niedrig zu halten. Die kritische Konzentration, bei der die elektrische Leitfähigkeit des Systems sprunghaft ansteigt nennt man Perkolationsschwelle. Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nanotubes, CNT) weisen ein hohes Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser) auf, was zu einer geringen Perkolationsschwelle führt [1]. Auf Grund der geringen Füllstoffkonzentrationen kann das Polymer optisch transparent bleiben, so dass eine man eine neue Klasse von transparenten und leitfähigen Materialien erhält. Die Perkolationsschwelle und die elektrische Leitfähigkeit werden unter anderem von der Auswahl der CNT (bezüglich Typ, Herstellungsmethode, Aspektverhältnis oder chemische Behandlung), Polymeren und den Verarbeitungsmethoden beeinflusst. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit haben wir die Ergebnisse vieler weltweit arbeitender Forschungsgruppen zu diesem Thema zusammengefasst [2]. Netzwerkbildung Die Leitfähigkeit des Systems erhöht sich erst dann sprunghaft, wenn durchgehende CNT-Pfade in dem Polymer entstanden sind. Die Bedingungen für die Entstehung solcher Netzwerke sowie deren Qualität müssen verstanden und kontrolliert werden, damit ein industrieller Einsatz dieser Verbundwerkstoffe möglich wird. Die Erkenntnisse aus [2] und unseren eigenen Experimenten [3] zeigen, dass bei homogen verteilten CNT die theoretisch vorhergesagten Perkolationsschwellen [1] erreicht werden. Das Anlegen von elektrische Felder oder einer leichten Scherung können zudem selbst bei Füllgraden unterhalb dieser Schwelle zur Ausbildung von leitfähigen Pfaden im Verbundwerkstoff führen. Dieser Effekt wurde auch von anderen Forschungsgruppen beobachtet [4]. Diese neue, kinetische Perkolationsschwelle muss allerdings von der theoretischen unterschieden werden, weil sie mit den üblichen Perkolationstheorien nicht beschrieben werden kann. Die Netzwerkbildung von CNT in Epoxyharzen soll durch Anlegen eines elektrischen Feldes parallel und senkrecht zur Scherrichtung und gleichzeitigen optischen Messungen weiter untersucht werden. Simulation der Perkolationsdynamik Die Perkolationsdynamik hängt von vielen Parametern ab. Einige sind zum Beispiel die Flexibilität der CNT, die Reibung zwischen Füllstoff und Matrixpolymer oder die angelegte Scherung. Während des zeitlich beschränkten Aushärtevorgangs verändern sich zudem einige der Parameter. Diese Perkolationsdynamik soll unter der Variation der Parameter simuliert [5] und mit bereits durchgeführten und neuen Messungen verglichen werden, um die Perkolationskonzentration zu minimieren und die elektrische Leitfähigkeit und optische Transparenz zu optimieren. Entscheidend für eine theoretische Beschreibung und Modellierung der Messergebnisse ist die Berücksichtigung der realen Verteilung der CNT in dem Polymer. Wir haben eine Methode entwickelt, mit der wir mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops in eine Probe hineinschauen und die CNT-Dimension, -Form und -Verteilung von der Nanometer- bis hin zur Millimeterskala untersuchen können [6]. Resonante Raman-Spektroskopie Die CNT wurden in dem Polymer auch als Sensoren für mechanische Spannungen genutzt. Mit einem Raman-Spektrometer konnte nachgewiesen werden, dass mechanischen Spannungen nur beim Abkühlen der Proben auf Zimmertemperatur auftreten, wobei die Übertragung der Spannungen auf die CNT für unterschiedliche Polymere unterschiedlich stark ausfiel [7]. Damit könnten diese Messungen eine Methode darstellen, um die mechanische Kopplung zwischen CNT und Polymer ¿ welche die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes bestimmt ¿ zu untersuchen. Literatur
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