Hoch leitfähige, flexible Polymerhybridmaterialien

Ausgangssituation

Kohlenstoffpartikel sind in der Lage, Polymer­bauteilen besondere Eigen­schaften, wie z. B. eine höhere mechanische Festigkeit oder eine elektrische Leit­fähigkeit, zu verleihen. Das Interesse aus der Industrie an solchen Hybrid­materialien ist daher stetig wachsend. Es ist bekannt, dass es bei Verwendung von unterschied­lichen Kohlenstoff­partikeln zu synergistischen Effekten besonders hinsichtlich der elektrischen Leit­fähigkeit kommen kann. Insbesondere für flexible und dehnbare Polymer­matrices wurden solche Effekte bislang kaum untersucht.

Projektziel

Im Projekt sollten die Vorteile der Inkorporation nano- und mikroskaliger Kohlenstoff­partikel mit hohem Aspekt­verhältnis (Carbon­nanotubes bzw. Carbon­fasern) systematisch untersucht und das Potenzial der synergistischen Effekte ausgelotet werden, um diese für den Bereich flexibler Polymer­flächen nutzbar zu machen. Die elektrische Leitfähigkeit sollte so hoch sein, dass mit sehr niedriger Spannung (5 – 16 V) eine für die elektrische Beheizung ausreichende Leistung erzielt werden kann. Der Fokus lag auf der Entwicklung dünner Materialien, die ein hohes Potenzial hinsichtlich einer Gewichts­reduktion aufweisen.

Lösungsweg

Im Rahmen der Projekt­arbeiten wurden ein reines Elastomer (Silicon) und ein Polymer mit hohem elastischen Anteil (Polyurethan) als Polymer­matrix verwendet. Aus den genannten Polymeren wurden Beschichtungs­systeme entwickelt, die einerseits Carbon­nanotubes (CNT) als leitfähiges Netzwerk und Carbon­fasern (CF) als Synergist und andererseits CF als leitfähiges Netzwerk und CNT als Synergist enthielten. Um die angestrebte extrinsische Leit­fähigkeit im System einzustellen, wurden CNT verwendet, die sich sehr gut sowohl in lösemittel­haltige als auch wässrige Polymer­massen einarbeiten lassen und kosten­günstig in großen Mengen am Markt verfügbar sind. Als mikroskalige Komponenten wurden oberflächen­modifizierte CF-Kurzfasern sowie Fasern auf Basis von single walled Carbon­nanotubes (SWCF) eingesetzt. Aus diesen Massen wurden im Streich­verfahren Hybrid­schichten hergestellt, an denen umfangreiche Prüfungen hinsichtlich mechanischer und elektrischer Eigenschaften sowie der Partikel­anordnung in der verfestigten Hybrid­schicht durchgeführt wurden.

Ergebnisse | Nutzen

Durch systematische Entwicklungsarbeiten wurde der anvisierte synergistische Effekt erzielt. Die Intensität des Effektes ist abhängig von der Länge und der Leit­fähigkeit der Fasern, dem Faser­anteil sowie deren Verteilung in der Polymer­matrix. Letztere kann durch eine geeignete Faser­schlichte sowie angepasste Dispergier­additive optimiert werden. AFM-Untersuchungen zeigen eine gute Benetzung der Carbon­additive (Abb. 1) mit der Polymer­matrix.

Die höchsten spezifischen Leit­fähigkeiten der Hybrid­schichten mit CNT-Netzwerk und CF als Synergist lagen für Silicon bei 200 S/m und für PU bei 350 S/m. Wurden anstelle von Kohlenstoff­fasern hochleit­fähige SWCF eingesetzt, konnten z. B. für Silicon­hybrid­schichten spezifische Leit­fähigkeiten von 1.700 S/m erreicht werden. Der synergistische Effekt, der durch Zugabe von SWCF zu CNT-haltigen Silicon­matrices eintritt, ist in Abb. 2 dargestellt. Für diese Schichten wurde bei einer Spannung von 24 V eine Flächen­leistung von 1.650 W/m² für einen Kontaktierungs­abstand von 20 cm erzielt. Aufnahmen der beheizten Schichten zeigen eine sehr homogene Temperatur­verteilung über die gesamte Fläche, sodass von einer gleichmäßigen Partikel­verteilung ausgegangen werden kann (Abb. 3). AFM-Untersuchungen belegen die homogene Dispergierung der CNT-Partikel sowohl in der PU- als auch der Silicon­matrix. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die mikro­skaligen Carbon­fasern mit den nanoskaligen CNT in Kontakt stehen und diese über den großen Abstand der Faserlänge verbrücken. Das Potenzial solcher Hybrid­schichten wird überall dort gesehen, wo leichte Materialien gefordert sind, die mit niedrigen Spannungen zwischen 6 – 24 V betrieben werden sollen. Prädestinierte Bereiche sind Wearables sowie Smart Materials im Mobil­bereich.

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