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Komposite, Blockcopolymere und Blends mit Kohlenstoff-Nanostrukturen

Zielrichtung der Arbeiten ist die Integration von leitfähigen Kohlenstoff-Nanostrukturen in isolierende Polymermatrices über Schmelze- oder Lösungsverarbeitung und die Charakterisierung der Kompositeigenschaften. Dabei stehen vor allem elektrische Eigenschaften der Komposite und Blends, aber auch die Beeinflussung mechanischer, rheologischer, thermischer, tribologischer, thermoelektrischer, sensorischer und Abschirmungseigenschaften sowie das Brandverhalten im Vordergrund.

Zu den untersuchten Füllstoffen gehören ein- und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT), Kohlenstoff-Nanofasern (Carbon Nanofibers, CNF), expandierter Graphit (EG), reduziertes Graphenoxid (rGO) sowie Leitruße (CB), wobei Untersuchungen zu CNT den Schwerpunkt der Arbeiten bilden. Die Leitfähigkeitsausrüstung, die Voraussetzung für thermoelektrische, sensorische und Abschirmungseigenschaften ist, erfolgt durch die Bildung eines Perkolationsnetzwerkes der leitfähigen Füllstoffe in der isolierenden Polymermatrix. Neben einzelnen Füllstoffen werden auch Füllstoffkombinationen aus mehreren leitfähigen oder leitfähigen mit nichtleitfähigen Füllstoffen untersucht.

1) Thermoplastische Komposite über Schmelzeverarbeitung

Im Mittelpunkt stehen Untersuchungen zum Einfluss von Schmelzeverarbeitungsbedingungen auf die erreichbare Verteilung der Füllstoffe bei der Kompositherstellung (Schmelzemischen in Kleinmengenmischern und Laborextrudern) und bei der Formgebung (Plattenpressen, Spritzgiessen, Schmelzespinnen) und deren Korrelation zu resultierenden Eigenschaften.

Die zugrundeliegenden Prozesse der Deagglomeration, Verteilung, Netzwerkbildung, Aggregation, Orientierung und Ausrichtung der Nanofüllstoffe sowie in teilkristallinen Polymeren der Kristallisation beeinflussen in starkem Maße die Eigenschaften der Komposite, insbesondere im Falle von CNTs. Zusätzlich beeinflussen strukturelle Besonderheiten der Füllstoffe wie deren morphologische Beschaffenheit und Oberflächenfunktionalisierung in starkem Maße die Wechselwirkungen an den Phasengrenzflächen, die Verteilbarkeit der Füllstoffe in einer Matrix, die Phasenhaftung sowie die Stabilität der Dispersion in Verarbeitungsprozessen. Deshalb sind Arbeiten zur Modifizierung der Füllstoffe mit reaktiven Gruppen oder anderen Substanzen, z.B. intrinsisch leitfähigen Polymeren, wesentlicher Bestandteil der Forschung.

2) Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in nm-strukturierten Blockcopolymer/ Kohlenstoffnanoröhren-Kompositen

Der Fokus der Arbeiten liegt auf der Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses zu den Mechanismen der Dispergierung und Lokalisierung von CNTs in nanostrukturierten Blockcopolymeren (BCPs). Untersucht wird der Einfluss auf das Phasenverhalten der BCPs und auf die Wechselwirkungen an den Grenzflächen sowie deren Auswirkungen auf das morphologische, mechanische und elektrische Verhalten der BCPs. Dabei soll die außergewöhnliche nanostrukturierte Morphologie der Blockcopolymere ausgenutzt werden, um CNTs mittels Schmelzemischen und Lösungsmischen gezielt in einer Phase oder an der Grenzfläche beider Phasen zu lokalisieren. Der Vorteil einer solchen Modifizierung ist die deutliche Reduzierung des notwendigen Füllstoffanteils gegenüber Homopolymer/CNT-Kompositen, um eine elektrische Perkolation zu erreichen. Dadurch werden zum einen Kosten gespart und zum anderen besteht die Möglichkeit, die sehr guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten bzw. die Zähigkeit und Steifigkeit im BCP signifikant zu erhöhen. Aufgrund der kleinen Dimension der BCP-Nanostrukturen ist es notwendig, CNTs mit möglichst geringen Durchmessern und Längen einzusetzen sowie bei der Wahl der Blockcopolymere bevorzugt auf Materialien mit lamellaren, co-continuierlichen oder zylindrischen Strukturen mit großem Domänenabstand zurückzugreifen. Zur Optimierung der Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Nanofüllstoff und BCP-Phasen, werden CNTs durch definierte Kürzung und/oder chemische Funktionalisierung modifiziert. Auf diese Weise entwickelte leitfähige BCP-Kompositmaterialien werden für ihre Eignung als sensorische Materialien im Bereich der Deformations- oder Gassensorik und untersucht.

3) Polymerblends mit leitfähigen Füllstoffen

In Polymerblends hängt der Effekt der leitfähigen Füllstoffe vor allem von deren Lokalisierung und dem Morphologietyp des Blends ab. In nichtmischbaren Polymerblends lagern sich Füllstoffe in der thermodynamisch bevorzugten Komponente an, wenn nicht sterische oder kinetische Gründe dies be- oder verhindern. Gelingt es, elektrisch leitfähige Füllstoffe in kokontinuierlichen Strukturen in der Phasengrenzfläche oder gar in der Grenzfläche eines solchen Morphologietyps anzuordnen, sind sehr geringe Gehalte zum Erreichen der elektrischen Perkolation notwendig. Dieses Phänomen der sogenannten doppelten Perkolation wurde an verschiedenen Blendsystemen umfassend untersucht. Aber auch in im Schmelzezustand mischbaren Blends (Beispiel PVDF-PMMA) kann eine kristallisationsinduzierte Phasenseparation unterschiedliche Lokalisierungen von Nanofüllstoffen bewirken, welche die Kompositeigenschaften signifikant beeinflussen kann. Derartige selektiv gefüllte Blends sind insbesondere für sensorische Eigenschaften (Flüssigkeits- und Gasdetektion) sowie elektromagnetische Abschirmung interessant.

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Ansprechpartner

Dr. Petra Pötschke

MitarbeiterInnen

Dr. Jürgen Pionteck
Dr. Beate Krause
Dr. Ulrike Staudinger
Manuela Heber
Ulrike Jentzsch-Hutschenreuther

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