Einführung

Polymere können durch Zugabe geeigneter Füllstoffe mit einer gewissen elektrischen Leit-fähigkeit versehen werden, um zum Beispiel statische Aufladung vermeiden zu können. Gleichzeitig möchte man aber die mechanischen Eigenschaften des Polymers durch den Füllstoff nicht verschlechtern, weshalb es von Interesse ist, die Konzentration besonders niedrig zu halten. Die kritische Konzentration, bei der die Leitfähigkeit des Systems sprunghaft ansteigt, nennt man Perkolationsschwelle. Verwendet man Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) als Füllstoff, so ist sie besonders niedrig auf Grund des großen Aspektverhältnisses (Länge zu Durchmesser) und der hohen Leitfähigkeit [1]. Bei diesen geringen CNT-Konzentrationen kann das Polymer optisch transparent bleiben, so dass man eine neue, viel versprechende Klasse von transparenten und leitfähigen Materialien erhält.

Dispersion der CNT

Die besonderen Eigenschaften der Nanoröhrchen kommen aber nur zum Tragen, wenn die Agglomerate in denen sie vorkommen, aufgelöst und die CNT homogen in dem Polymer verteilt werden. Dazu werden in der Forschung unterschiedliche Methoden angewandt. Ultraschall ist sehr effektiv, zerstört aber gleichzeitig viele CNT, ein Rührwerk ist schonend, dafür bleiben auch größere Agglomerate übrig. Hier soll eine neue Methode angewandt werden, bei der durch ein Walzwerk hohe Scherkräfte und somit eine gute Dispergierung erreicht werden [2].

Netzwerkbildung

Die Leitfähigkeit des Systems erhöht sich erst dann sprunghaft, wenn durchgehende CNT-Pfade in dem Polymer entstanden sind. Die Entstehung solcher Netzwerke kann unterschiedliche Ursachen haben. Bei höheren CNT-Konzentrationen, in unserem Fall über 0,02 Gewichtsprozent (gew%), entstehen Agglomerate von selbst und bilden im Laufe der Zeit ein Netzwerk. Unterhalb dieser Konzentration kann man ein gerichtetes Netzwerk durch Anlegen eines elektrischen Feldes erzeugen. Höhere Leitfähigkeiten erzielten wir allerdings durch eine leichte Scherung des Systems ¿ und das schon ab einem Rekordwert von 0,0025 gew% [3]! Dieser Effekt der scherinduzierten Agglomeration wurde kürzlich auch von anderen Forschergruppen beobachtet [4]. Zur Erzielung noch geringerer Perkolationsschwellen soll die Netzwerkbildung unter definierten Scherraten in einem Rheometer untersucht werden.

Simulation der Perkolationsdynamik

Die Perkolationsdynamik hängt von sehr vielen Parametern ab. Einige sind zum Beispiel das Aspektverhältnis der Nanoröhrchen, ihre Flexibilität, die Reibung zwischen CNT und Polymer, dessen Viskosität, dem angelegten elektrischen Feld und der ausgeübten Scherung. Dabei ist besonders die Zeitskala der Netzwerkbildung von Interesse, weil durch die Aushärtung des Polymers nur eine gewisse Zeitspanne zur Verfügung steht. Während der Aushärtung verändern sich zudem einige der Parameter. Diese Perkolationsdynamik soll unter 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 des Systems zu optimieren.

Resonante Raman-Spektroskopie

Als Polymer benutzen wir ein flüssiges Epoxidharz, das nach Zugabe eines Härters fest wird. Dabei beobachtet man durch die Netzwerkbildung einen Anstieg der Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen, diese fällt aber kurz vor Aushärtung wieder um eine Größenordnung ab. Dies schreiben wir thermisch bedingten Spannungen zu, welche wir durch resonante Raman-Spektroskopie untersuchen wollen.

Literatur

[1] A. Celzard, E. McRae, C. Deleuze, M. Dufort, G. Furdin, J. F. MarîchéCritical concentration in percolating systems containing high-aspect-ratio fillerPhys. Rev. B 53 (1996) 6209

[2] F.H. Gojny, M.H.G. Wichmann, U. Köpke, B. Fiedler and K. SchulteCarbon nanotube-reinforced epoxy-composites: enhanced stiffness and fracture toughness at low nanotube contentComposites Sci. Technol. (2004) in press, available online 14 May 2004

[3] C. A. Martin, J. K. W. Sandler, M. S. P. Shaffer, M.-K. Schwarz, W. Bauhofer, K. Schulte, A. H. WindleFormation of percolating networks in multi-wall carbon-nanotube-epoxy compositesComposites Sci. Technol. (2004) in press, available online 21 April 2004

[4] S. Lin-Gibson, J. A. Pathak, E. A. Grulke, H. Wang, E. K. HobbieElastic flow instability in nanotube suspensionPhys. Rev. Lett. 92 (2004) 048302-1

[5] C. F. Schmid, L. H. Switzer, D. J. KlingenbergSimulations of fiber Flocculation: Effects of fiber properties and interfiber frictionJ. Rheol. 44 (2000) 781