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2013
Report
Titel
Verbesserung der mechanischen und elektrischen Klebstoffeigenschaften durch funktionalisierte CNTs
Titel Supplements
Schlussbericht. Bewilligungszeitraum: 01.05.2011 30.04.2013
Abstract
Klebstoffe spielen eine zentrale Rolle für die Weiterentwicklung von ressourcenschonenden Leichtbautechniken. Dies gilt insbesondere für das Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe (Multi-Material-Design). Entscheidende Faktoren für den Einsatz eines Klebstoffes sind seine Festigkeit und die Möglichkeit des Einbringens von Zusatzfunktionen, wie elektrischer Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren (sog. carbon nanotubes", CNTs") als Klebstoff-Additiv bietet das Potential einer extremen Verbesserung dieser Eigenschaften und wurde hier untersucht. Die wirkungsvolle Einbindung von CNTs in eine Klebstoffmatrix ist technologisch jedoch schwierig, da die Oberfläche der CNTs weitgehend unreaktiv ist und die Bündelung der CNTs eine Dispergierung erschwert. Ein Transfer der CNT-Eigenschaften auf die Matrix ist dadurch stark limitiert. Abhilfe kann eine Funktionalisierung der CNTs schaffen. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden daher CNTs unterschiedlich funktionalisiert dann in Klebstoffe dispergiert und die resultierenden Material- und Anwendungseigenschaften an ausgesuchten Klebstoffsystemen exemplarisch untersucht. Zur Funktionalisierung wurde ein Atmosphärendruck-Plasma verwendet. Es gelang CNTs von unterschiedlichen Herstellern im Plasma mit funktionellen Gruppen zu funktionalisieren. Messungen des Pulverkontaktwinkels und der Sedimentation belegen eine Verbesserung des Dispergierverhaltens der CNTs. Durch Wahl geeigneter Prozeßparameter bei der Plasmabehandlung kann der Funktionalisierungsgrad gesteuert werden. Für bestimmte CNT-Typen verändert sich die Größenverteilung der CNTs durch die Plasmabehandlung. Diese Änderung der Größenverteilung muss bei der Bewertung der Funktionalisierung von CNTs berücksichtigt werden. Für die hergestellten CNTs wurden 3 grundlegende Klebstoff-Harzsysteme ausgewählt und jeweils eine Dispergierroutine mit Hilfe Ultraschall erfolgreich entwickelt, die eine weitgehende Dispergierung der CNT ermöglicht. Weiterhin wurden auch der Einfluss anderer Dispergierverfahren, vornehmlich Dreiwalzwerk, auf unterschiedliche Klebstoffparameter untersucht. Im Fokus standen hierbei die Parameter Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Zur Unterstützung des Verständnisses wurden TEM- und REM-Analysen durchgeführt. An einigen so hergestellten Kompositen konnten verbesserte Materialeigenschaften durch die Funktionalisierung gefunden werden. Die aufgefundenen Trends waren für die drei untersuchten CNT-Typen unterschiedlich. Ein cycloaliphatisches Klebstoffsystem zeigte insgesamt die größten Eigenschaftsverbesserungen durch Zugabe von CNTs. Als zentrale Größe für die Materialeigenschaften stellt sich der Dispergiergrad dar, der für die Wechselwirkung über das CNT-Netzwerk entscheidend ist. Insbesondere durch die kombinierte Anwendung gängiger Dispergierverfahren konnten Verbesserungen aufgezeigt werden. Als Anwendungsbeispiel der gefüllten Klebstoffe konnte die Eignung des Epoxidklebstoffs für das Bewehren von Stammblättern mit Schleifsegmenten zur Gesteinstrennung erfolgreich dargestellt werden.
Verlag
Fraunhofer IFAM
Verlagsort
Bremen