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 Nutzfahrzeuge: Neuer Professor entwickelt effizientere und leichtere Bauteile mit 3D-Metall-Drucker
03.05.2018 | Technische Universität Kaiserslautern

nachricht Die Zukunft des Fliegens auf dem Prüfstand
25.04.2018 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics