Nanokomposite - PlusComposites Training Website

Nanokomposite
Entwicklungen und
Anwendungen
Stefan Brück, INM
06.05.2014
Saarbrücken
Nanomaterialien
Mindestens eine Dimension unterhalb 100 nm
Bsp. Nanopartikel, Nanoröhren
Nanostrukturierte Materialien
Mindestens ein Element unter 100 nm Größe
Bsp. Kristallite, Teilchen, Loch/Lücke, Textur/Topologie
Nanocomposite
5 Vol.% modifiziertes 10 nm SiO2
in PMMA (Foto: INM)
Nanopartikel oder Nanoröhren als Verstärkung in einer Matrix
Bsp. Polymer-Matrix Nanocomposite
Warum NANO?
• Höhere Performance als mit makroskopischen Verstärkungen
• Multifunktionalität aufgrund der nanoskaligen Dimension
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Nanocomposite Basics
Nanocomposit = Matrix + Nanoteilchen + ???
Strukturen in Polymer-Matrix-Nanocompositen

Freie Polymerketten, Schlaufen, Verknüpfungen

Teilchen´und Teilchen-Teilchen-Kontakte

Polymer-Teilchen Kontakte: Grenzschicht
3
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Grenzschicht die 3. Komponente!
Geringe Ordnung
Hohe Ordnung
 Belegung der Teilchen mit Polymeren
 Bildung einer Grenzschicht mit höherer Ordnung
 Die Grenzschicht ist ein wesentlicher Bestandteil des Werkstoffs
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Nanokomposite… ab 1904!
1839
Charles Goodyear
vulkanisiert Gummi mit Schwefel.
15. Juni 1844 United States Patent Office
erteilt Patent Nummer 3633
1904
S.C. Mote, India Rubber, Gutta Percha and
Telegraph Works in Silverton, England
Ruß (carbon black) aus der Tintenherstellung
verbessert die Abriebbeständigkeit (wear
resistance) von Gummi
1912
Diamond Rubber Co. of Akron, Ohio
erwerben die Rechte an den Mischungen von
Mote und produzieren Autoreifen.
Foto: soundslogical (Flickr) CC BY-NC-ND 2.0
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Nanoclay
Die molekulare Struktur eines Montmorillonit Minerals, Autor Andreas Trepte,
Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic license.
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Nanoclay
1950
Patent von National Lead Company Clays zur Verstärkung Elastomeren
1988
Toyota (Okada et al.) patentiert Clay-Polyamid (Nylon)
1993
Entdeckung der Exfoliation durch Usuki et al. (J. Mater. Res. 1993, 8, 1174)
bei Nylon/Clay
Nanoclay-Nylon-Nanokomposit
1993
Toyota: 1. kommerzielle Anwendung im Automobilbau: Abdeckung Zahnriemen
2001
Toyota: Karosserieteile und Stoßfänger
2002
General Motors: Einstiegsbereich bei den Autos GM Safari and Chevrolet Astro
,
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Diagram
of Sheffield Hallam University
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Preparation of Highly Exfoliated Polyester–Clay Nanocomposites: Process–Property Correlations
Hamid Dalir et al. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la203331h
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Nanoclay in Polypropylen
2002
1. Kommerzieller Nanokomposit aus Nanoclay und Polypropylen
Scancomp von Polykemi AB, Schweden
Podiumsbox
• Sehr gute Kratzfestigkeit
• Hohe Steifigkeit
• Geringer Verzug
• Gute Oberfläche
• Leichter:
Geringere Dichte
als mit Mineralien
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Vom Reifen zum Auto
2002
General Motors baut Autoteile aus
Nanokompositen
Nanoclay verstärkte thermoplastische
Polyolefine (TPO)
• Verbessterte Kratzfestigkeit
• Sehr gute Oberfläche
• Leichter
Hummer H2 SUV (Werksfotos, 2005)
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2003/2004
Forte, ein Nanoclay-PP Nanocomposit von
Noble Polymers ersetzt glas- und
mineralgefülltes PP
Rücksitze des Honda Acura TL
• Leichter
• Besser verarbeitbar
• Weniger sichtbare Defekte
• Höhere Steifigkeit
Honda Acura TL 2004
(Foto: IFCAR, wikipedia.org)
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http://www.justanswer.com/
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CARBON NANOTUBES
SMC Grossserienproduktion
2008
NanoXcel SMC Compound für
Yamaha Waverunner Watercrafts
• Carbonfaser- und Nanoclay-Verstärkung
• Polyester/Polyurethan Matrix
• Dichte 1.45 g/cm3 statt 1.9 g/cm3
bei Calciumcarbonat-Füller
• Keine Änderungen im SMC Prozess
• Keine Änderung der Form
• Verbessertes Oberflächenbild
• Schlagfest
The FZR's NanoXcel hull is ready to race
Foto: Yamaha WaterCraft (CC BY 2,0)
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NanoVin – Nanoclay in PVC
2013
Solvin Bronze Award für Flachs-Prepegs der
Depestele Group
• NanoVin Plastisol hergestellt von. SolVin (Joint
venture von Solvay)
• Unerwartestes Viskositätsverhalten.
• Anwendung in dünnem Film mit
anschliessendem “Backen”.
• Ergebnis weiche, flexible Oberflächen
• Naturfaser Flachs
• Frankreich ist Europas größter FlachsProduzent
Produkte
• Imprägnierte technische Textilien
• Imprägnierte Bänder/Fasern
• Flexibel als Prepeg, hart/steif nach dem
Formen
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Foto: www.solvinaward.com
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Nanoclay in Elastomeren
2006
Exxpro von ExxonMobil Chemical
ein Elastomer mit Nanoclay
Reifenliner
• Gasbarriere
• Bessere Druckstabilität
• 20% längere Lebensdauer
(Schutz vor Ozonangriff)
• Dünnere, leichtere Liner
(80% Materialeinsparung)
Werksfoto
• Schnelles Vulkanisieren
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Nanoclay als Barriere
Treibstofftanks
• USA: Emissionsgrenzwerte für Treibstoff
bei Tanks von motorisierten Freizeit- und
Gartengeräten
• Längere Diffusionswege für Kohlenwasserstoffe,
Feuchtigkeit, Gase
• Nanoclay-Nylon Nanokomposit von RTP Company
2-4 fache Senkung der Durchlässigkeit
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Nanoclay als Barriere
Folien zur Verpackungen für empfindliche Stoffe (Werkzeuge, Elektronik,…)
• Geringere Durchlässigkeit für Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlendioxid
• Mechanisch stabiler durch Nanofüller
• Haltbarkeit höher oder Einsparung von Verpackung
• Folien aus Nanoclay-Nylon Nanokomposit von RTP Company: 2-5% Füllgrad statt
20-30%
• Folien aus Nanoclay-Nylon Nanokomposit von Nanocor/Bayer Polymers (LANXESS)
• Bierflaschen aus Nanoclay-Nylon Nanokomposit von Nanocor/Honeywell Polymers
Lebensmittelverpackungen ???
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VERORDNUNG (EU) Nr. 10/2011 DER KOMMISSION
vom 14. Januar 2011
über Materialien und Gegenstände aus Kunststoff, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in
Berührung zu kommen
•
Der Anwendungsbereich wird von reinen Kunststoffen auch auf Verbünde aus Kunststoffen und
anderen Materialien ausgeweitet.
•
Erstmals werden Nanomaterialien aufgenommen. Die Verordnung lässt im die Verwendung
jedoch nur zu, wenn eine Einzelbewertung der EFSA (Europäische Behörde für
Lebensmittelsicherheit) vorliegt.
•
Auch eine funktionelle Barriere entlässt den Hersteller nicht von den Pflichten der Zulassung!
•
Die Konformitätserklärung wird für alle Herstellungsstufen inklusive der Ausgangsstoffe
gefordert.
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Carbon Nanotubes
Singlewalled carbon nanotubes (SWCNT) Einzelne Graphen-Lage in Röhrenform
Multiwalled carbon nanotubes (MWNT oder MWCNT)
Carbon nanofibers (CNF) Stapel von Graphen-Lagen
Herausforderungen
• Niedrige Oberflächenenergie: Schlechte Adhäsion von Polymer
• Deagglomeration und Dispergieren in Polymeren
Potentielle Anwendungen
•
•
•
•
•
(Nano-)elektronische Geräte
Pharmazeutika
Katalysatorträger
Hochwertige Sportgeräte: Surfboards, Skateboards, Golfschläger
Additiv für elektrostatisches Sprühen
1998 MWNT von Hyperion Catalysis, Inc., im Lack des Ford Taurus.10 Spiegels
• Additiv für ESD, Blitzschutz in Flugzeugen
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Schutz vor elektrostatischen
Entladungen ESD
• Gleichmäßige Verteilung und Percolation
• typ. < 5 Gew% CNT Füllgrad
Nachteile Kohlenstofffasern (carbon fiber)
•
•
•
•
•
Typ. 10-20 Gew.% Füllgrad erforderlich
Senken die Flexibilität des Polymers
Senken die Schlagfestigkeit
Andern das Schrumpfverhalten
Gefahr von Hotspots
CNT Hersteller, Lieferanten
• Nanocyl S.A., Belgien
• und >80 weitere …
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REV Backup Drive von Iomega Corp., San
Diego mit Gehäuse aus RTP Company highimpact RTP 300 Series PC CNT. (Werksfoto)
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Baytubes
Mai 2013
BAYER beendet das Geschäft mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen - Gesundheitliche
Risiken unklar
Der BAYER-Teilkonzern MaterialScience stellt die Vermarktung von KohlenstoffNanoröhrchen ein.
Die Arbeiten rund um Carbon Nanotubes (CNT) sollen laut BAYER „zum Abschluss
gebracht werden", für das Know-how werde ein Käufer gesucht.
März 2014
FutureCarbon erwirbt von Bayer die Patente für Carbon-Nanotubes und Graphen.
Netzwerk NanoCarbon
http://www.nanocarbon.net/
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Künftige Herausforderungen
• Nanokomposite müssen durch deutlich verbesserte Eigenschaften überzeugen
• Herstellung von Nanopartikeln in ausreichender Menge bei bezahlbaren Kosten
• Umgang mit Nanopulvern ohne Kontamination der Umgebung und der Pulver
(große spezifische Oberfläche)
• Herstellungsverfahren ohne Agglomeration/Kornwachstum
• Interdisziplinäre Forschung , Entwicklung und Training
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