Carbon Nanotubes verleihen Compounds ein einzigartiges Eigenschaftsprofil

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Ausrichtung der Nanotubes kann gesteuert werden

Auch bei Bauteilen ohne Bindenähte ist die Ausbildung von CNT-Netzwerken abhängig von Verarbeitungsparametern. Aufgrund der hochmolekularen Struktur der Kunststoffe werden die Kunststoffmoleküle während der Verarbeitung deformiert und den Fließbedingungen entsprechend ausgerichtet.

Die zwischen diesen Molekülen liegenden Carbon Nanotubes haben deshalb auch eine Orientierung in Fließrichtung. Die Ausrichtung der Carbon Nanotubes kann folglich durch Steuerung der Fließbedingungen beeinflusst werden. Als wichtige Parameter haben sich beispielsweise der Umschaltpunkt zwischen Einspritz- und Nachdruck sowie das Verhältnis zwischen Nachdruck und Einspritzdruck erwiesen.

Außerdem hängen die Formfüllung und die daraus resultierende Ausrichtung der Carbon Nanotubes von der Einspritzgeschwindigkeit und der sich daraus ergebenden Deformation der Kunststoffmoleküle ab. Darüber hinaus beeinflusst die Viskosität der Kunststoffschmelze die Formfüllung sowie die Deformation der Kunststoffmoleküle, wodurch sich eine Abhängigkeit von der Massetemperatur beim Spritzgießprozess ergibt. Diese Effekte sind in Bild 1a und b dargestellt: Bei logarithmischer Auftragung zeigen sich fast lineare Abhängigkeiten.

CNT-Netzstrukturen im Werkstoff senken elektrischen Widerstand

Carbon Nanotubes haben ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von über 1000. Dadurch entstehen schon bei geringen Konzentrationen die bereits beschriebenen CNT-Netzstrukturen im Werkstoff, die zum Absenken des elektrischen Widerstandes führen. Im Gegensatz dazu muss bei Verwendung von Ruß, der ebenfalls eine nanoskalige Korngrößenverteilung aufweist, trotz gleicher elektrischer Leitfähigkeit eine deutlich höhere Konzentration gewählt werden. Ursache dafür ist ein niedrigeres Längen-Durchmesser-Verhältnis. Die schlechtere elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration ist in Bild 2 mit Polyamid 6.6 als Matrixwerkstoff dargestellt.

Die zur Leitfähigkeit notwendige hohe Rußkonzentration führt zu dem in Bild 3 erkennbaren Einbruch der Kerbschlagzähigkeit. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, können Schlagzähmodifikatoren zugesetzt werden, die jedoch die Festigkeit des Werkstoffs reduzieren. CNT-haltige Compounds bieten dagegen eine einzigartige Kombination von Kerbschlagzähigkeit, Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Die in Tabelle 2 aufgeführten Werte belegen den geringen Einfluss der CNT-Konzentration auf die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe.

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