Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von neuen Hochleistungselastomeren unter Einsatz von Carbon Nanohorns (CNH)

Stetig steigende technische Anforderungen, zunehmend extremere Betriebs-bedingungen und Forderungen bezüglich der Nachhaltigkeit und Lebensdauer von Materialien und Bauteilen stellen Wissenschaft und Wirtschaft vor große Herausfor-derungen. Übergreifendes Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer Hochleis-tungselastomer-Nanokomposite, die bezüglich Festigkeit, Verschleiß, Permeations-verhalten, Quellverhalten in Medien und elektrischer Leitfähigkeit bei vergleichsweise geringerer Dichte (Leichtbau) bisherigen Elastomerwerkstoffen überlegen sind. Dies soll durch den Einsatz von CNHs, welche durch eine extrem hohe spezifische Oberfläche und teilweise graphitanalogen Strukturen gekennzeichnet sind, erreicht werden. Im Vergleich zu Carbon Nanotubes (CNT) werden für CNHs keine toxischen Eigenschaften diskutiert. Der Schlüssel für die effektive Nutzung des hohen Potentials der CNHs ist eine optimale Dispersion. Um diese zu erreichen werden spezielle Schmelzmischtechniken sowie die Einarbeitung über die Latexphase verfolgt. Grundsätzlich gilt es, die Wechselwirkung Polymer-CNH im Vergleich zu der Wechselwirkung CNH-CNH zu erhöhen. Aus diesem Grund wird die Kautschukpolarität, die chemische Zusammensetzung der CNH-Oberfläche (Funktionalisierung) sowie die Viskosität des Kautschuks variiert. Übergreifendes Teilziel ist auch, den optimalen Gehalt an CNHs in ausgewählten Kautschuk-Matrices (NBR, NR, FKM) und die Per-kolationsschwellen sowie die Polymer-CNH-Wechselwirkung an unvulkanisiertem und vulkanisiertem Material zu ermitteln. Zur Erhöhung der für eine gute Dispersion der CNHs im Schmelzmischprozess notwendigen Scherenergie, werden CNH-Komposite mit Ruß als Hybridkomponente gemischt. Letztlich sollen die erwarteten Eigenschaftsverbesserungen durch eine umfangreiche physikalische Charakterisierung der CNH-Nanokomposite im Vergleich zu ruß- und CNT-haltigen Referenzmaterialien charakterisiert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Der Entwicklung neuer Hochleistungselastomere unter Einsatz von CNH war die Optimierung der jeweiligen Mischprozesse vorangestellt, um das hohe Potential der Carbon Nanohorns bezüglich Verstärkung, Festigkeit, Verschleiß, Quellverhalten und elektrischer Leitfähigkeit vollumfänglich auszunutzen. Diese Optimierung wurde mit Blick auf CNH-Agglomerataufbruch, verbesserter Dispersion und Anbindung der CNH an den jeweiligen Kautschuk durchgeführt. Dabei wurden CNH-haltige Elastomere unterschiedlicher Polarität und Viskosität (NBR, SBR, Silikon) durch Planetenmischen, Schmelzmischtechniken und durch Einarbeitung in Latices hergestellt. Zur Erhöhung der für eine gute Dispersion notwendigen Scherenergie wurden CNH-Komposite mit Ruß und CNT (Carbon Nanotubes) als Hybridkomponenten gemischt.

Nach einer anfänglichen Rohstoffcharakterisierung wurden die hergestellten Komposite umfänglich charakterisiert, wobei sich in allen Materialien gezeigt hat, dass eine Eigenschaftsverbesserung durch CNH im Wesentlichen nur in Hybridmaterialien mit CNT oder Ruß und bei geringem Anteil an CNH beobachtet werden kann. Bei höheren CNH-Gehalten kommt es zu Reagglomerationseffekten und einer stark verminderten Dispersion (hohe Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkungen). In Abhängigkeit vom jeweiligen Hybridfüllstoff, dem CNH-Typ, dem CNH-Gehalt und der Art des Polymers konnten synergistische Effekte in unterschiedlicher Ausprägung hinsichtlich dielektrischer Leitfähigkeit, Permeationsdichtigkeit und mechanischer Verstärkung erzielt werden. Speziell die Verringerung der Gasdurchlässigkeit eröffnet Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Dichtungswerkstoffe. Die gleichzeitige elektrische Leitfähigkeit der hier untersuchten Hybridkomposite ermöglicht zusätzlich den Einsatz des Materials für elektrisch leitfähige Dichtungen oder resistente Sensoren in besonders sensiblen Bereichen wie z. B. der elektromagnetischen Abschirmung.