Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Carbon Nanotubes verleihen Compounds ein einzigartiges Eigenschaftsprofil

04.08.2009
Carbon Nanotubes verleihen Kunststoffteilen nicht nur elektrische Leitfähigkeit, im Gegensatz zum Füllstoff Ruß beeinträchtigen die Kohlenstoffnanoröhrchen auch nicht die mechanischen Eigenschaften. Aus den mit Carbon Nanotubes verstärkten Compounds werden daher Spritzgießteile mit einem einzigartigen Eigenschaftsprofil hergestellt.

Elektrisch leitfähige Compounds auf Basis von Polypropylen, Polyamid 6, Polyamid 6.6, Polycarbonat oder PC/ABS, die Carbon Nanotubes (CNT) als Füllstoff enthalten, sind eine ideale Alternative zu metallbeschichteten Kunststoffteilen, deren statische Entladungen abgeleitet werden müssen. Denn Bauteile aus diesen Verbundwerkstoffen haben ein vollkommen neues Eigenschaftsprofil: Sie leiten nicht nur den elektrischen Strom, sondern sind auch leicht, stabil und fest, außerdem dehnbar und schlagzäh.

Carbon Nanotubes – zu Deutsch: Kohlenstoffnanoröhrchen – sind zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Sie leiten elektrischen Strom und Wärme besser als Kupfer und sind zudem noch um den Faktor 20 reißfester als Stahl.

Zudosieren von Carbon Nanotubes mit Zweiwellenkneter

Die Herstellung der Verbundwerkstoffe erfolgt durch Zudosieren von Carbon Nanotubes in die Kunststoffschmelze in einem sogenannten Zweiwellenkneter. Dieser Prozess erweist sich als anspruchsvoll, weil die extrem große spezifische Oberfläche der Carbon Nanotubes mit der hochviskosen Kunststoffschmelze benetzt werden muss. Dies gelingt durch Zugabe von Benetzungsstoffen.

Diese Verbundwerkstoffe lassen sich im Spritzgießverfahren zu Bauteilen weiterverarbeiten. Allerdings nehmen die Prozessbedingungen beim Spritzgießen Einfluss auf die Ausbildung von leitfähigen CNT-Netzwerken. So können sich durchgehende Strukturen nicht über Bindenähte hinweg ausbilden. Die elektrische Leitfähigkeit von Bauteilen mit Bindenaht hängt somit von der Position der Leitfähigkeitsmessung am Bauteil ab.

Weil über die Wahl der Angussposition beziehungsweise über die Anzahl der Angüsse entschieden werden kann, wo sich am Bauteil Bindenähte zeigen, lässt sich die Ausbildung von leitfähigen Netzwerken durch die Konstruktion der Spritzgussform beeinflussen.

Ausrichtung der Nanotubes kann gesteuert werden

Auch bei Bauteilen ohne Bindenähte ist die Ausbildung von CNT-Netzwerken abhängig von Verarbeitungsparametern. Aufgrund der hochmolekularen Struktur der Kunststoffe werden die Kunststoffmoleküle während der Verarbeitung deformiert und den Fließbedingungen entsprechend ausgerichtet.

Die zwischen diesen Molekülen liegenden Carbon Nanotubes haben deshalb auch eine Orientierung in Fließrichtung. Die Ausrichtung der Carbon Nanotubes kann folglich durch Steuerung der Fließbedingungen beeinflusst werden. Als wichtige Parameter haben sich beispielsweise der Umschaltpunkt zwischen Einspritz- und Nachdruck sowie das Verhältnis zwischen Nachdruck und Einspritzdruck erwiesen.

Außerdem hängen die Formfüllung und die daraus resultierende Ausrichtung der Carbon Nanotubes von der Einspritzgeschwindigkeit und der sich daraus ergebenden Deformation der Kunststoffmoleküle ab. Darüber hinaus beeinflusst die Viskosität der Kunststoffschmelze die Formfüllung sowie die Deformation der Kunststoffmoleküle, wodurch sich eine Abhängigkeit von der Massetemperatur beim Spritzgießprozess ergibt.

CNT-Netzstrukturen im Werkstoff senken elektrischen Widerstand

Carbon Nanotubes haben ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von über 1000. Dadurch entstehen schon bei geringen Konzentrationen die bereits beschriebenen CNT-Netzstrukturen im Werkstoff, die zum Absenken des elektrischen Widerstandes führen. Im Gegensatz dazu muss bei Verwendung von Ruß, der ebenfalls eine nanoskalige Korngrößenverteilung aufweist, trotz gleicher elektrischer Leitfähigkeit eine deutlich höhere Konzentration gewählt werden. Ursache dafür ist ein niedrigeres Längen-Durchmesser-Verhältnis.

Die zur Leitfähigkeit notwendige hohe Rußkonzentration führt zu erkennbaren Einbruch der Kerbschlagzähigkeit. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, können Schlagzähmodifikatoren zugesetzt werden, die jedoch die Festigkeit des Werkstoffs reduzieren. CNT-haltige Compounds bieten dagegen eine einzigartige Kombination von Kerbschlagzähigkeit, Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit.

Elektrische Leitfähigkeit verlangt keine Zugeständnisse

Aufgrund dieser Eigenschaften verlangt die elektrisch leitfähige Ausführung eines Bauteils keine aufwändigere Konstruktion, zum Beispiel zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen. Auch sind keine größeren Wanddicken notwendig, um den Rückgang zum Beispiel der Festigkeit auszugleichen. Mehrkosten durch ein höheres Bauteilgewicht oder durch längere Kühlzeiten beim Spritzgießen können daher durch den Einsatz von CNT-verstärkten Kunststoffen vermieden werden.

Die beschriebenen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe sind seit langem bekannt. Allerdings war bisher aufgrund des hohen Preises von Carbon Nanotubes oder der geringen Verfügbarkeit keine kommerzielle Anwendung möglich. Nun entwachsen diese Verbundwerkstoffe ihrer Kinderstube, der Preis für kommerziell verfügbare Carbon Nanotubes ist rapide gesunken. Zudem ist prognostiziert, dass die mittlerweile günstigen Herstellungsprozesse zu weiter fallenden Preisen führen werden.

Daher etablieren sich erste Anwendungen. So sorgen Carbon Nanotubes zum Beispiel in Sportgeräten für eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Bei technischen Anwendungen steht die elektrische Leitfähigkeit im Vordergrund, beispielsweise bei der elektrostatischen Lackierung. Im Vergleich zu metallbeschichteten Kunststoffteilen sind solche aus CNT-haltigen Compounds leichter her-zustellen und einfacher zu bearbeiten.

Alex Preiß ist Niederlassungsleiter der Macomass Verkaufs AG in Aschaffenburg.

Alex Preiss | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/werkstoffe/articles/223711/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Stresstest über den Wolken
21.06.2017 | Hochschule Osnabrück

nachricht 3D-Druck im Mittelstand etablieren
20.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblick ins geschlossene Enzym

26.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Laser – World of Photonics: Offene und flexible Montageplattform für optische Systeme

26.06.2017 | Messenachrichten

Biophotonische Innovationen auf der LASER World of PHOTONICS 2017

26.06.2017 | Messenachrichten