Ultra-hoch gefüllte und orientierte CNT- und 3D-vernetzte Aerographit Epoxidkomposite: Synthese, Herstellung und Eigenschaften
Creators: name: Mecklenburg, Matthias
Publisher: name: TuTech Verlag
Year: 2017
Subjects: subject: CVD synthesis
subject: aligned CNT/polymer composites
subject: Aerographite
subject: electrical conductivity
classificationCode: 600
subject: Technik

description: Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von Polymernanokompositen (PNCs). Es werden zwei graphitische Füllstoffe in Epoxidmatrix untersucht: Kohlenstoffnanotubes (CNTs) und “Aerographit” (AG). Die PNCs dieser Arbeit unterscheiden sich hinsichtlich Füllstoffgehalt und Morphologie wie folgt: CNT-basierte PNCs (CNT-PNCs): PNCs mit unidirektionaler Ausrichtung (APNCs, anisotrop) und willkürlicher Ausrichtung (RPNCs, isotrop) von CNTs. Es wird der Bereich von Φ= 10-68 wt.% Gewichtsanteil untersucht. AG-basierter PNCs (AG-PNCs): PNCs mit 3D-vernetzten Graphitnetzwerken in Epoxidmatrix. Die inneren Elemente sind isotrop orientiert und kovalent vernetzt. Es wird der Bereich Φ= 0,2-0,6 wt.% Gewichtsanteil untersucht. Die Skalierung der elektrischen Leitfähigkeit und die Skalierung der E-Moduln werden bei bisher nicht vorhandener Variationsbreite der CNT-Gewichtsanteilen untersucht (σ (Φ) , E(Φ)). Eine zentrale Fragestellung ist, wie sich eine strenge Anisotropie (CNT-PNCs) oder eine kovalente Vernetzung (AG-PNCs) auf die Effizienz der elektr. Leitung pro Füllstoffanteil (σ/Φ) auswirkt. Speziellere Fragen sind u.a.: Wie wird die Piezoresistivität von CNT-PNCs beeinflusst, wenn die Abstände zwischen CNTs so weit reduziert werden, dass sie im Bereich ihrer Abmessungen liegen? Dominiert eher die Orientierung der CNTs oder der Füllstoffanteil der CNTs das piezoresistive und thermoelektrische Verhalten von CNT-PNCs? Lassen sich maximale Grenzen für E-Moduln und elektr. Leitfähigkeiten von CNT-PNCs ableiten? Methodisch ist wird die Untersuchung durch ein neues Herstellungsverfahren für APNCs/RPNCs möglich (Patent). Hierbei können sehr verschiedene Arten von CNTs verarbeitet werden. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden anhand von gerichteten in-house MWCNTs (l&gt; 1,3 mm), ungerichteten in-house MWCNTs (l&gt; 1,3 mm) und ungerichteten kommerziellen MWCNTs ( l=0,01 mm) betrachtet. Die APNCs u. RPNCs dieser Arbeit werden mit dem bisherigen Wissen über dispergierte CNT-PNCs verglichen. Dispergierten CNT-PNCs weisen i.d.R. nur keine Orientierung der CNTs und nur niedrige Füllstoffanteile auf. Mit den APNCs können weit gesteigerte Materialkennwerte erreicht werden (APNCs: σ= 37000 S/m, E= 36 GPa; RPNCs: σ= 3000 S/m, E= 6 GPa). Es kann hier gezeigt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit von hoch gefüllten APNCs ähnlichen Skalierungsregeln σ (Φ) folgt, wie sie für dispergierte CNT-PNCs abgeleitet sind. Die isotropen und kovalent vernetzten Graphitnetzwerke des Aerographits können vollständig mit Epoxiden gefüllt werden. Die resultierenden AG-PNCs sind hinsichtlich Füllstoffanteile und Isotropie mit typischen dispergierten CNT-PNCs vergleichbar. Es wird die Auswirkung einer reduzierten Tunnelleitung das piezoresistive Verhalten und die elektr. Leitfähigkeit von PNCs mit graphitischen Füllstoffen untersucht. Eine gegenüber allen bisherigen CNT-PNCs (dispergierte CNT-PNCs u. hoch gefüllte APNCs/RPNCs) erhöhte Effizienz der elektr. Leitung pro Füllstoffanteil (σ / Φ) kann gezeigt werden. Anhang zum Aerographit: Eine im Jahr 2010 entdeckte Synthese ermöglicht es graphitische Strukturen auf dem Metalloxid Zinkoxid (ZnO) abzuscheiden. In dem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (CVD) kann umfangreich Einfluss auf die innere Struktur und Dichte genommen werden (Patent). Es sind drei Hauptvarianten des AGs bekannt. Diese unterscheiden sich grundlegend in der Struktur der inneren Graphitwände und/oder Füllungen. Die Kinetik der Entfernung des Templates und der Nukleation von Graphit im CVD-Prozess ist bisher nur ansatzweise verstanden. Die Kapitel “Grundlagen” und der “Anhang A” sind der Fortsetzung dieser Forschung gewidmet. Wichtige Inhalte des Anhangs sind folgende Punkte: Selektion der Varianten u. Dichten der AGs via CVD, Einführung eines Wachstumsmodells und Zusammenfassung der Strukturanalysen (SEM, TEM, EELS, XRD) der Jahre 2010-2016.
description: In this work two different polymer nanocomposites (PNCs) with graphitic fillers in epoxy matrix are characterized. Both PNCs possess structural features, which are used to address open scientific questions in the field of carbon nanotube (CNT) based PNCs. The PNCs of this work use in-house synthesized nanoparticles, which are: mm-long, unidirectional aligned carbon nanotubes (CNTs) and covalently 3D interconnected graphite-based networks ('Aerographite', AG). For CNT-based PNCs (CNT-PNCs) a manufacturing method is introduced (patented), which allows to embed very high amounts of CNTs in epoxy matrix (Φ= 10-70 wt.%). Two different structures are given for these CNT-based PNCs: APNCs: PNCs with unidirectional alignment of mm-long, in-house produced CNTs (anisotropic). RPNCs: PNCs with randomly oriented CNTs (mm-long in-house produced CNTs or µm-long commercial CNT) (isotropic). AG-PNCs: Aerographite-based PNCs are PNCs with an isotropic, covalently interconnected graphite filler network embedded in epoxy matrix (Φ&lt;1 wt.%) (isotropic). Here different orientations, different aspect ratios and different qualities of CNTs are directly compared. The scaling of electrical conductivity and Young's moduli in respect to filler loadings are in focus of the investigations (σ (Φ) , E(Φ)). The piezoresistive and thermoelectric behavior of CNT-based PNCs with filler loadings Φ &gt;5 wt.% are investigated here for the first time. The findings for CNT-PNCs are combined with the results on AG-PNCs. The influence of inner network topologies on electrical conduction is discussed in detail. If the graphitic networks of AGs are infiltrated with epoxy, AG-PNCs of low filler loading and isotropic structure result. Inner graphite elements of AGs are covalently interconnected. Therefore AG-PNCs can be used to investigate the influence of reduced electron tunneling on the electrical conduction and piezoresistive behavior of PNCs. It can be shown, that highly filled APNCs can lead to highly improved material properties like electrical conductivities up to σ= 37000 S/m and Youngs's moduli up to E= 36 GPa. On the other hand APNCs are shown to follow similar scaling rules of electrical conduction (σ(Φ)), as they had been derived from dispersed CNT-PNCs in the last two decades of research. The inner interconnections of AG lead to - compared to all of today's CNT-based PNCs - effective electrical conduction (σ/Φ). Appendix: Aerographite (AG): In the year 2010 first time a metal oxide (ZnO) was shown to be a feasible substrate for graphite deposition via a chemical vapor deposition process (CVD). Technically no other synthesis offers following combination: (i) structuring by tailored ceramic networks &amp; graphite deposition with in situ removal of template. The density and inner structure of AG can be altered by the CVD-process. Scientifically the details of nucleation and growth of graphite within the CVD-process is not yet fully understood. To continue the research, the appendix deal with following contents: Development of synthesis &amp; outlook on structuring Statistics of CVD-processes (2010-2015) &amp; introduction of one control parameter for selecting variant and density of AGs Structural analyses (SEM, TEM, SAEDs, XRD,…) &amp; introduction of a hypothetical growth model