Poly(olefin)-basierte Präkursorpolymere für Carbonfasern

Abstract

Kohlenstofffasern (Carbonfasern) sind derzeit die bedeutendsten Fasern auf dem Wirtschaftsmarkt. Neben ihren sehr guten mechanischen Eigenschaften (hohe Zug- und Reißfestigkeit, hoher E-Modul) und ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit, der geringen Röntgenstrahlenabsorption, verbunden mit einem vergleichsweise niedrigen Gewicht, weisen diese hervorragende Beständigkeit gegen Temperatur, Chemikalien und Umwelteinflüsse auf. Im Rahmen dieser Dissertation wurden Präkursorsysteme zur Carbonfaserherstellung synthetisiert. Dabei konnten die Strukturentwicklungen der Fasern während den einzelnen Prozessschritten analytisch untersucht und diskutiert werden. Es wurden mittels anionischer Polymerisation und Ringöffnender Metathese-Polymerisation (ROMP) unterschiedliche Präkursorpolymere hergestellt, welche geeignete viskoelastische und strukturviskose Eigenschaften für eine Verarbeitung zu Fasern durch Spinnprozesse aufwiesen. Nach der Untersuchung verschiedener Methoden zur Faserstabilisierung konnten aus den Präkursorfasern erfolgreich Carbonfasern erhalten werden. Als geeignete Analytikmethoden zur Untersuchung der Faserstrukturentwicklungen wurden sowohl die Infrarot- und Raman-Spektroskopie als auch die Röntgenbeugung angewendet. Anhand dieser Analytik konnte für alle dargestellten Fasertypen ein Bildungsmechanismus ähnlich dem eines Glaskohlenstoffs identifiziert werden. So wiesen die Präkursorsysteme mit linearem Strukturaufbau bereits bei niedrigen Temperaturen von ca. 1400 °C hohe Graphitisierungsgrade auf. Des Weiteren konnten auch die für Glaskohlenstoff charakteristischen Eigenschaften wie die stark fehlgeordnete Graphitstruktur mit sehr kleinen Kristallitgrößen von < 3 nm, sowie die geringe Dichte &#961; von 1.4 g/cm3 in den hier dargestellten Carbonfasern gefunden werden. Außerdem wiesen diese, wie auch Glaskohlenstoff, eine Isotropie in den physikalischen und chemischen Eigenschaften auf.

Carbon fibers are currently the most significant fibers on the market. This is due to their great mechanical properties, i.e. their high ultimate tensile strength and high Young´s modulus, their high electrical conductivity and their low absorption of X-rays, accompanied by their relatively small weight. Carbon fibers furthermore show an outstanding resistance against temperature, chemicals and other environmental influences. The aim of this thesis was to synthesize precursor systems for the preparation of carbon fibers, as well as to analyze the evolution of the structure of the fibers during the single steps of the synthesis process. Both via anionic and ring-opening metathesis polymerization (ROMP) it was possible to synthesize different precursor polymers. These polymers showed suitable viscoelastic and structural viscose properties for the processing into fibers via spinning processes. By studying of different methods for the stabilization of the fibers, it was possible to obtain carbon fibers. To follow the progress of the structure of the fibers different analysis methods were used, namely infrared- and Raman spectroscopy as well as X-ray diffraction. Via the use of these analytical methods it was possible to identify the formation mechanism of the synthesized fiber types to be similar to that of glassy carbon. For example, the linear structure precursor systems give raise to a high degree of graphitisation at relatively low temperatures of around 1400 °C. Furthermore, the characteristic properties of glassy carbon, namely the strongly distorted structure of graphite with the relatively small crystallite sizes of around <3 nm, as well as the low density of 1.4 g/cm3 were found in the synthesized fibers. Moreover, it was found that these fibers show an isotropy in the physical and the chemical properties, which is also found in glassy carbon.