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 Gewicht von Robomotion-Greifer um 60 Prozent reduziert
31.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

nachricht Assistenzsysteme für die Blechumformung
28.07.2017 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie