Elektrisch leitfähige Komposite basierend auf expandiertem Graphit (EG) und thermoplastischen Polyurethan (TPU)
Final Report Abstract
Elektrisch und thermisch leitfähige Komposite wurden durch Einarbeiten von expandierten Graphiten in verschiedenen Polyurethanmatrices und mit unterschiedlichen Methoden hergestellt. Die elektrische Perkolationsgrenze liegt im Bereich von < 2 Gew.-% (< 1 Vol.-%) bis ca. 8 Gew.-%, wobei die Herstellungs- und Verarbeitungsbedingungen die Perkolationsgrenze bestimmen. Entgegen den Erwartungen ist die Perkolationskonzentration dann am geringsten, wenn ein hoher Grad an Agglomeration in Kombination mit vereinzelten Graphitnanoplättchen (GNP) vorliegt. Feine Dispergierung, u.a. erreichbar bei hohen Drehzahlen beim Schmelzemischen oder bei der in-situ Synthese, führt zu hohen Perkolationsschwellen. Komplette Exfolation des EG ist mit den angewandten Methoden nicht erreichbar. Eine Zerteilung zu Graphenmonoschichten konnte nicht nachgewiesen werden, es liegen immer Graphitnanoplättchen vor, die unterschiedlich stark zur Reagglomeration neigen. Überraschend war, dass die chemische Struktur und Zusammensetzung der Polyurethane keinen nachweisbaren Effekt auf die EG-Dispergierbarkeit zeigte. Unpolare und polare Polymere zeigen ähnliches Verhalten. Dominierend für die Ausbildung von perkolierenden Strukturen sind die Verarbeitungsparameter, auftretende Scherkräfte und Viskositäten. Auch oberhalb der elektrischen Perkolationsschwelle sind die Leitfähigkeiten der Komposite sehr viel kleiner als die des EG, verursacht durch die anisotrope EG-Verteilung und hohe Kontaktwiderstände. Die chemische Modifizierung von EG zu oxidiertem Graphit (GO) und weiter zu thermischoder chemisch reduzierten GO und weitere Umsetzungen mit Diisocyanaten zur Verträglichkeitsverbesserung bringen keine Vorteile bezüglich elektrischer Leitfähigkeit, hat aber positive Einflüsse auf mechanische Eigenschaften und bei geringen Zusätzen. Im Fall von Polypyrrol-(PPy-)modifizierten EG als Füllstoff für PP zeigte sich, das PPy an der Ausbildung elektrisch leitfähiger Perkolationsstrukturen beteiligt ist, obwohl die PPy- Beschichtung nicht scherstabil ist. Die Perkolationskonzentration ist stark von der Matrixviskosität abhängig. Gute Korrelation wurde zwischen elektrischer, thermischer und rheologischer Perkolation gefunden, wobei PPy nicht zur thermischen Leitfähigkeit beiträgt. EG wirkt versteifend auf TPU, Modul und Härte werden teilweise verbessert, Zugfestigkeit und Bruchdehnung reduziert. Versprödung tritt bei hohen EG-Gehalten auf und ist besonders bei „harten“ TPU ausgeprägt. Somit sind Anwendungen als Konstruktionswerkstoffe nicht sinnvoll, jedoch sind Entwicklungen von leitfähigen Klebern, antistatischen Beschichtungen oder auch als Sensoren möglich.
Publications
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J. Pionteck, F. Piana
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Percolation phenomena of modified polypropylene/expanded graphite composites. - The 7th International ECNP Conference on Nanostructured Polymers and Nanocomposites . - Prague Czech Republic, 24.04.2012 - 27.04.2012 - 2 Seiten, ISBN 978-80-85009-71-2
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Recent Perspectives into the Study of Copolyurethane Elastomers with Varying Hard and Soft Segments, Proceedings of the World Congress on Engineering 2012 Vol III, pp1959-1962. ISBN: 978-988-19252-2-0
C. Prisacariu, E. Scortanu, B. Agapie, F. Piana
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Effect of the melt processing conditions on the conductive paths formation in thermoplastic polyurethane/expanded graphite (TPU/EG), Composites Science and Technology 80 (2013) 39–46
F. Piana, J. Pionteck
