Oberflächenmodifizierung von Carbon Nanotubes mittels technischer Niederdruckplasmen

Abstract

Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNTs) sind ein Nanomaterial mit außerordentlichen Eigenschaften wie eine geringe, mit Polymeren vergleichbare Dichte, hohe mechanischen Kennwerte und elektrische Leitfähigkeit, Temperaturstabilität und Wärmeleitfähigkeit. Da sie jedoch zudem chemisch weitgehend inert und in den meisten Substanzen nicht oder kaum dispergierbar sind, ist zur Verbesserung ihrer Verarbeitbarkeit sowie für die Bewerkstelligung einer Phasenadhäsion eine Modifizierung ihrer Oberfläche erforderlich. Die vorliegende Abhandlung entstand in enger Zusammenarbeit der Universität Stuttgart (Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik, IGVT) mit dem Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB). Sie beschreibt plasmachemische Methoden zur Erzielung einer solchen Modifizierung und deren Vorteile gegenüber konventionellen nasschemischen Varianten. Auf Basis von in diesem Zusammenhang erstmalig entwickelten spezifischen und semi-quantitativen Nachweismethoden konnten Abhängigkeiten der Oberflächenzusammensetzung von den Plasmaprozessparametern Prozessgas, Behandlungsdauer, Druck und Leistung ermittelt und entsprechende Optima zur bevorzugten Generierung bestimmter Oberflächenfunktionalitäten erarbeitet werden. Mittels fluiddynamischer Modellierung und experimentellen Untersuchungen wurde ferner ein Plasmareaktor zur direkten Modifizierung pulverförmigen Materials entwickelt, der bisherige Systeme hinsichtlich Effizienz, Skalierbarkeit und Prozessintegrierbarkeit signifikant übertrifft. Schließlich wurde in weiterführenden Anwendungsversuchen die Wirksamkeit der durchgeführten Modifizierungen nachgewiesen, wobei neben einer besseren Dispersion insbesondere eine wesentlich verbesserte Phasenadhäsion erreicht wurde.

Carbon nanotubes (CNTs) are a nanomaterial featuring extraordinary properties such as a low density - comparable to that of polymers -, high mechanical properties, as well as electrical conductivity, temperature stability, and thermal conductivity. Since they are also chemically widely inert and show low to no dispersability in most substances, a surface modification is imperative for an improved processability and to achieve a phase adhesion. The work at hand resulted from a close cooperation of the University of Stuttgart (Institute for Interfacial Engineering, IGVT) and the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB). It describes plasmachemical methods to attain such a modification and their advantages over conventional wet-chemical attempts. Based on specific and semi-quantitative analysis methods developed in this context for the first time, dependencies of the composition of the surface from the plasma process parameters process gas, treatment duration, pressure, and load were identified and respective optima for the preferred generation of certain surface functional groups were ascertained. Via fluiddynamical modelling and experimental investigations also a plasma reactor design was developed allowing the direct modification of powdery material and significantly outperforming currently existing systems with respect to efficiency, scalability, and ease of integration into the production process. Finally, the effectiveness of the performed modifications was validated in further application investigations proving an improved dispersion and significantly increased phase adhesion.