Große Effekte mit winzigen Teilchen

Gewinnerin des von der Dresdner Bank AG in Dresden geförderten Innovationspreises des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) und des Vereins zur Förderung des IPF ist in diesem Jahr Frau Dr. Petra Pötschke. Mit dem Preis werden ihre wegbereitenden Entwicklungen zur Erschließung der Anwendungsmöglichkeiten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zur Eigenschaftsoptimierung von Kunststoffen gewürdigt. Nach Ansicht der Jury ist man einer Nutzung des enormen Potentials der 1991 entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch die Arbeiten von Frau Dr. Pötschke einen bedeutenden Schritt näher gekommen.

Die Forschungsarbeiten wurden dabei stets zielstrebig in Richtung der industriellen Endanwendung der verschiedensten Materialsysteme vorangetrieben und folgten damit in vorbildlicher Weise der Philosophie und Aufgabenstellung der Leibniz-Gemeinschaft.

Seit ihrer Entdeckung faszinieren die nur wenige Nanometer dicken Nanoröhren mit Wänden aus wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen die weltweite Wissenschaftsgemeinde. Ihr einzigartiges Eigenschaftsspektrum macht sie zu einem der erstaunlichsten Materialien unserer Zeit. An einzelnen Nanoröhren gemessene Festigkeiten und Wärmeleitfähigkeiten werden derzeit von keinem anderen Material erreicht. Dem unscheinbaren schwarzen Pulver, als das die Nanoröhren nach ihrer Herstellung vorliegen, sieht man die fantastischen Eigenschaften der einzelnen Röhren nicht an, und diese tatsächlich für verbesserte Materialeigenschaften von Bauteilen nutzbar zu machen, ist eine der großen Herausforderungen für die Werkstoffforscher. Eines der wichtigsten Konzepte zum Erreichen dieser Zielsetzung ist derzeit die Einarbeitung der Nanoröhren in Kunststoffe.

Die Arbeiten von Frau Dr. Pötschke liefern dabei eine Vielzahl neuer Erkenntnisse und Hinweise, insbesondere mit Hinblick auf die erfolgversprechende Entwicklung leitfähiger und zugleich bruchfester und zäher Kunststoffe. Das Marktpotenzial für solche Werkstoffe ist insbesondere im Hinblick auf die unzureichenden Eigenschaften der derzeit verfügbaren leitfähigen Kunststoffe mit Rußfüllung enorm. Durch die weitgehend kugelige Form der Rußpartikel werden in den heute marktüblichen Systemen sehr hohe Füllstoffgehalte (zwischen 8 bis 12 %) benötigt, um dem Strom durchgehende Pfade innerhalb der isolierenden Kunststoffmatrix zu bieten. Diese beeinträchtigen dessen Oberflächenqualität und das Verarbeitungsverhalten und führen zudem zur Versprödung des Kunststoffs. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der Nanoröhren und ihre im Vergleich zum Durchmesser riesige Länge, die in etwa mit einem 50 Meter langen Gartenschlauch verglichen werden kann, ermöglichen hingegen die Entwicklung von Kunststoffen, die durch Zumischung äußerst geringer Mengen Nanoröhren elektrisch leitfähig werden. Zentrale Herausforderung ist dabei stets, die zunächst stark verklumpten Nanoröhren durch geschickte Anpassung der Prozessbedingungen und Maschinentechnik bei der Verarbeitung mit dem thermoplastischen (schmelzbaren) Kunststoff zu vereinzeln und zu Strukturen anzuordnen, die das Bauteil netzartig durchziehen. Basierend auf den Erfahrungen und Forschungsarbeiten der letzten Jahre gelang es Frau Dr. Pötschke beispielsweise, ein leitfähiges Verbundmaterial durch Zusatz von 5 Gramm Nanotubes auf 1 Kilogramm isolierenden Kunststoff herstellen.

Die mechanischen Eigenschaften wurden dabei im Gegensatz zu den handelsüblichen Systemen nicht nur nicht beeinträchtigt, sondern durch die homogene Verteilung der Nanoröhren im Kunststoff zusätzlich verbessert. Mit der Verwendung von kommerziell verfügbaren Kunststoffen und großtechnisch üblichen Verarbeitungsverfahren wie Extrusion oder Spritzguss konnte Frau Dr. Pötschke die Entwicklung in kurzer Zeit von Voruntersuchungen mit Kleinstmengenmischaggregaten bis zu einem vorindustriellen Maßstab vorantreiben.

Industriepartnern kann auf Basis der vorliegenden Ergebnisse eine relativ einfach überführbare Technologie zur Herstellung von innovativen Werkstoffen angeboten werden. Zahlreiche inzwischen in Bearbeitung befindliche Projekte mit Beteiligung von Industriepartnern belegen das Anwendungspotential und das Vertrauen der Industrie in die Zukunftsträchtigkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Produkten auf Basis der Entwicklung.

Der dramatische Anstieg der Ölpreise und der daran gekoppelten Kosten für Benzin und Diesel untermauern die Relevanz der aktuellen Forschungsarbeiten von Frau Dr. Pötschke für die Automobilindustrie: Mit Nanoröhren modifizierte thermoplastische Kunststoffbauteile sind sehr viel leichter als die bisher verwendeten Stahlbleche und eignen sich für Kotflügel und andere flächige Karosseriebauteile. Schlüssel für die reibungslose Integration in den Fahrzeug-Produktionsprozess ist dabei die Eigenschaftskombination aus elektrischer Leitfähigkeit, verbesserter Mechanik, exzellenter Oberflächenqualität und elektrostatischer Lackierbarkeit der neuartigen Kunststoffe. Bei einem günstigen Verlauf der weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie einer weiteren Reduzierung der Kosten für kommerzielle Carbon Nanotubes werden vielleicht in naher Zukunft erste PKW-Kotflügel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kunststoffverbunden hergestellt. Die damit verbundene Gewichtsreduzierung moderner PKWs könnte weltweit insbesondere im Stadtverkehr einen beachtenswerten Beitrag zu Ökoeffizienz und Klimaschutz leisten.

Die Preisverleihung findet am 7. Dezember 2007, 12 Uhr bis 13.30 Uhr im Rahmen des Symposiums „Engineering Life“ im Steigenberger Hotel de Saxe am Dresdner Neumarkt statt.