Laserunterstützte Synthese von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) und Applikationen in Polycarbonaten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die Realisierung eines Funktions- bzw. Strukturwerkstoffs aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) plus Polycarbonat vorangetrieben, und die sich einstellenden Eigenschaftsänderungen des Werkstoffsystems für makroskopischen Applikationen evaluiert. Zur Bereitstellung des Röhrenmaterials wurde eine Apparatur zur lasergestützten Synthese von hochqualitativen SWCNTs konzipiert, die zwei Lasersysteme von extrem unterschiedlichen Wellenlängen (Nd:YAG, CO2) im Parallelbetrieb für die Synthese nutzt. Mit dem Ziel maximaler Ausbeute und Reinheit wurden verschiedene Prozessführungen initiiert und wissenschaftlich bewertet. Eine wichtige Grundlage ist dabei eine neuartige Messmethodologie, die in der Lage ist, die Qualität von Nanoröhrenmaterial beziehungsweise den Herstellprozess selbst zu beurteilen. Die PC/SWCNT-Komposite wurden durch drei unterschiedliche Verfahren hergestellt: Schmelzextrusion, Coagulation und Lamination, wobei SWCNT-Material aus verschiedenen Syntheseprozessen (Lichtbogen, Laserablation, HiPco™) eingesetzt wurde. Zusätzlich wurde in einigen Kompositen eine dritte Phase in Form von Kohlenstofffasern (CF) eingearbeitet um spezielle Synergieeffekte beziehungsweise Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen. Eigenschaftsverbesserungen wurden auch mit Hilfe von chemischen Funktionalisierungen der SWCNTs erprobt. Alle Komposite wurden auf das elektrische, mechanische, thermische und elektromagnetische Verhalten hin systematisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SWCNTs in Polycarbonat, stellvertretend für amorphe Thermoplasten, bei erheblich geringeren Füllgraden als z.B. Leitruß zu einer elektrischen Perkolation führen. Messungen an PC/SWCNT-Kompositen konnten eine ausgeprägte abschirmende Wirkung elektromagnetischer Strahlung nachweisen, so dass für praktische Anwendungen neben den EGB- auch EMV-Richtlinien erfüllbar sind. Die thermische Leitfähigkeit des Werkstoffsystems konnte durch die Zugabe von SWCNTs erhöht werden. Es konnte belegt werden, dass eine mechanische Verstärkung durch SWCNTs in dem polymeren Matrixsystem trotz hohen intrinsischen E-Moduls und Zugfestigkeit sich nicht zwangsläufig einstellt. Für die Praxis sind dafür chemische Funktionalisierungen der Nanoröhren oder die Einbringung einer dritten Phase in den Werkstoffverbund notwendig.

The work describes the realization of a composite material based on single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) plus polycarbonate (PC). The potential of this composite for macroscopic applications is evaluated. To provide high qualitative SWCNTs, apparatus for the laser based synthesis of nanotubes was designed. This process reactor utilises two laser systems of very different wavelengths (Nd:YAG, CO2) in parallel operation mode. The evaluation of the synthesis process and the synthesis product depends upon a novel methodology of measurement (quality control protocol). The PC/SWCNT-composites were produced with three different techniques: melt extrusion, coagulation and lamination. Furthermore, the SWCNT material was taken from three different sources: arc discharge, laser ablation and HiPco™. To provide special characteristics and synergy effects in the composite a third phase (carbon fibers) was introduced in some composites. Additionally the chemical functionalization of SWCNTs was explored. All composites were examined concerning their ability to attenuate electromagnetic radiation (keywords EMC, EMI) and to conduct heat. Also their mechanical and electrical (keyword ESD) properties were determined. It is shown that SWCNTs in PC, representative of amorphous thermo plastics, do not inevitably lead to higher mechanical values. However, SWCNTs in PC shift the electrical percolation threshold to much lower filler contents than, for example, carbon black (CB). SWCNTs effectively attenuate electromagnetic radiation and they can enhance the thermal conductivity of the entire material system.