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 [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 [5].

Bisherige Untersuchungen an unterschiedlichen, kommerziell erhältlichen Nanotubes zeigen deutlich unterschiedliches Verhalten bei der Netzwerkbildung. Es zeigte sich, das vor allem geometrische Unterschiede (Aspektverhältnis, Ordnungsgrad) einen wesentlichen Einfluss haben. Weitere Untersuchungen hierzu ebenso wie zum Relaxationsverhalten der Suspensionen sind in Arbeit.

Wissenschaftliche Kontakte und Kooperationen

• Prof. Dr. Karl Schulte, Institut für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe Technische Universität Hamburg-Harburg
• Dr. Ingo Alig, Deutsches Kunststoffinstitut Darmstadt

Publikationen

W. Bauhofer, J. Kovacs, Influence of processing conditions and nanotube properties on percolation and electrical conductivity of carbon nanotube epoxy composits, CNTnet Hamburg (20-23.9.2009)  - Vortrag

Ali E. Eken, Joseph Kovacs, Carolin Schulz and Wolfgang Bauhofer, Effects of shear forces on the conductive network formation in multiwalled carbon nanotube/epoxy composits, SoR 81th annual meeting, Madison, USA (18-22.10.2009) - Postervortrag

Literatur

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

[2] F.H. Gojny, M.H.G. Wichmann, U. Köpke, B. Fiedler and K. Schulte, Carbon nanotube-reinforced epoxy-composites: enhanced stiffness and fracture toughness at low nanotube content Composites, Sci. Technol. 64 (2004) 2362

[3] C. A. Martin, J. K. W. Sandler, M. S. P. Shaffer, M.-K. Schwarz, W. Bauhofer, K. Schulte, A. H. Windle, Formation of percolating networks in multi-wall carbon-nanotube-epoxy composites, Composites Sci. Technol. 64 (2004) 2309

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

[5] A. Allaoui, N. E. Bounia, Rheological and electrical transition in carbon nanotube/epoxy syspensions, Nanoscience 6 (2010) 158