Elektrisch leitfähige Füllstoffnetzwerke in Duroplasten auf der Basis von Kohlenstoff-Nanopartikeln, -Nanofasern und -Nanotubes (PDF)

Polymere besitzen in der Regel hohe elektrische Widerstände.
In vielen Anwendungen, wie z.B. bei Mikrowellengeschirr oder auch Isolatoren für elektronische Bauteile ist das ein Vorteil.
Laden sich Teile einer polymeren Baugruppe durch Reibung elektrostatisch auf, so erweist sich aber gerade diese Eigenschaft als Nachteil. Elektrisch leitfähige Bauteile auf Kunststoffbasis lassen sich auf unterschiedlichen Wegen herstellen.
Bei vielen Polymeren besteht die Möglichkeit sie mit einem leitfähigen Füllstoff zu durchmischen.
Ziel dieser Arbeit ist es, die chemisch-physikalischen Wechselwirkungen von Epoxyharzen mit kohlenstoffartigen Füllstoffen soweit zu klären, dass sowohl das Perkolationsverhalten der Verbundwerkstoffe als auch das Verhalten der Füllstoff/Epoxyharz Dispersionen im elektrischen Feld aus charakteristischen Parametern der Epoxyharze und des Füllstoffes vorhergesagt werden kann.
Als Füllstoffe kommen einerseits Hochleitfähigkeitsruß (wegen der großen Oberfläche) und andererseits Kohlenstoff Nanofasern und Nanotubes als Beispiele für Füllstoffe mit einem hohen Aspektverhältnis zum Einsatz. Um die chemische Wechselwirkung Füllstoff/Polymer zu charakterisieren, wird mit geeigneten Epoxyharzen eine basische (Aminsysteme), eine neutrale (Vinylesterharz) und eine saure (Anhydridsystem) Umgebung in der Dispersion geschaffen.
Dabei ist es gelungen, mit äußerst geringen Füllgraden leitfähige Verbundwerkstoffe herzustellen.
Entsprechend der chemischen Wechselwirkung lädt sich der Füllstoff negativ (Aminsystem, basisch), positiv (Anhydridsystem, sauer) oder nicht (Vinylesterharz, neutral) auf. Geringe ionische Leitfähigkeit (Aminsysteme) führt zu einer elektrostatisch stabilisierten Dispersion, die nur langsam koaguliert.
Die hohe ionische Leitfähigkeit des Anhydridsystem hat eine rasche Koagulation des Füllstoffes zur Folge. Die Perkolationsschwelle ist für den Fall der Aminsysteme stark abhängig von der Probenherstellung.
Die durch die hohe Oberflächenladung und geringe ionische Leitfähigkeit der Suspension entstandene Potentialbarriere kann durch einen optimierten Herstellungsprozess stark gesenkt werden.
Durch die Verwendung eines elektrischen Feldes zur Stimulation der Perkolation lassen sich strukturiert leitfähige Netzwerke erzeugen.
Die im Wechselfeld induzierten Netzwerke sind prinzipiell um ein bis zwei Größenordnungen leitfähiger als die Gleichfeld-Netzwerke.
Ursache hierfür ist die homogenere Struktur der Wechselfeld-Netzwerke. In Systemen mit hoher ionischer Leitfähigkeit (Anhydridsystem) lassen sich nur mit Wechselfeldern leitfähige Netzwerke induzieren.
Für die rußgefüllten Duroplaste liegen die Leitfähigkeiten der Verbundwerkstoffe bei Füllgraden von 2% im Bereich von 10−1S/m. Mit der Hilfe des elektrischen Wechselfeldes können bei einer Feldstärke von E=100V/cm und =0,5% im Aminsystem Leitfähigkeiten um 10−3S/m erreicht werden. Da die Nanofasern in den hier verwendeten Polymeren auf Grund des verknäuelten Ausgangsmaterials nicht perkolieren, lassen sich nur mit elektrischen Feldern leitfähige Verbundwerkstoffe herstellen. Die Elektrophorese der Fasern sowie deren Drehung in Richtung des Feldes ist im Einklang mit theoretischen Aspekten gezeigt worden.
Bei Verwendung der Nanotubes sind nur sehr geringe Füllgrade zur Herstellung leitfähiger Verbundwerkstoffe erforderlich.
Erklärt werden kann dies z.T. mit der Hilfe des theoretischen Modells des verdrängten Volumens und unter Verwendung kolloidtheoretischer Aspekte.
Durch einen optimierten Präparationsprozess reichte ein Füllgrad von 0,0025% CNT aus, um im Aminsystem eine Leitfähigkeit von 10−4S/m zu erzeugen.
Die Leitfähigkeit der ohne Feld perkolierten Proben ist höher als die der im Wechselfeld perkolierten. Jedoch lassen sich mit der Hilfe elektrischer Felder gezielt strukturierte Netzwerke induzierten, die zu einem leitfähigen und optisch transparenten Verbundwerkstoff führen.