Zähe und flexible Styrol-Butadien-Blockcopolymere mit definierten kohlenstoffbasierten Nanofüllstoffen für elektrische und sensorische Anwendungen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Ulrike Staudinger
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268676966

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung funktioneller Nanokomposite auf der Basis zäher und flexibler Styrol-Butadien-Blockcopolymere (BCPs) mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), die für elektrische und sensorische Anwendungen geeignet sind. Als Basis dienen die im Erstprojekt umfassend untersuchten nanostrukturierten BCP/CNT-Komposite mit modifizierten Nanofüllstoffen, die bereits mit geringen CNT-Anteilen von ~ 1 Ma% eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wobei die Nanostruktur und das außergewöhnliche mechanische Eigenschaftsprofil der BCPs erhalten bleiben. Um eine optimale Dispersion und Lokalisierung der CNTs in den nm-skaligen BCP-Phasen zu erreichen und damit die elektrische Leitfähigkeit bei geringen CNT-Gehalten weiter zu erhöhen, werden stark gekürzte CNTs eingesetzt. Verschiedene Größenfraktionen von 500 nm bis 80 nm werden dabei über das Kürzen in einer Kugelmühle bzw. über ein spezielles Laserverfahren mit einer mikrofluidischen Wirbelströmungsvorrichtung realisiert. Eine Modifizierung der CNTs mit PS-Gruppen soll die Wechselwirkung zwischen Füllstoff und PS-Phase im BCP erhöhen und die Dispersion und selektive Anordnung der CNTs in der PS-Phase oder an der Grenzfläche beider Phasen unterstützen. Die BCP-Komposite werden über Lösungsmischen und Schmelzemischen hergestellt und die Morphologien über eine anschließende Temperung definiert und reproduzierbar eingestellt. Der Einfluss der eingesetzten Größenfraktionen (kritische CNT-Längen) und der chemischen Funktionalisierung der CNTs auf die Morphologie und die elektrischen und mechanischen Eigenschaften werden analysiert. An rissbehafteten Prüfkörpern ausgewählter Materialien erfolgen außerdem bruchmechanische Untersuchungen mit Bewertung der Risszähigkeit. Dafür wird das für hochduktile polymere Materialien geeignete Essential-Work-of-Fracture-Konzept angewandt. Die Charakterisierung des piezoresistiven Verhaltens elektrisch leitfähiger BCP/CNT-Komposite erfolgt über die Messung der deformationsinduzierten Widerstandsänderung während des uniaxialen Zugversuchs und in zyklischen Hystereseversuchen im viskoelastischen Bereich der Komposite. Für die Anwendung als Deformationssensoren sind die Einstellung einer hohen piezoresistiven Sensitivität (hoher Gauge-Faktor) und einer hohen Linearität der deformationsabhängigen Widerstandsänderung innerhalb eines weiten Deformationsbereiches sowie eine gute Wiederholbarkeit der Messung bei zyklischem Sensing entscheidend. Diese Eigenschaften werden durch die Duktilität des Matrixpolymers und der Dichte und Regelmäßigkeit des CNT-Netzwerkes bestimmt. Ziel ist es, den Einfluss der CNT-Konzentration und der CNT-Modifizierung auf die Eigenschaften des Füllstoffnetzwerkes im BCP und deren Auswirkungen auf das piezoresistive Verhalten der Komposite zu verstehen, um die Eigenschaften der Komposite für Anwendungen im Bereich des Deformations-Sensing gezielt einstellen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen