Herstellung elektrisch kapazitiver Trikomponenten-Fasern durch Additivierung mit Graphen im Schmelzspinnprozess (FiberCap)
Leichtbau, Textiltechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Herstellung elektrisch kapazitiver Tri-Komponenten-Fasern durch Additivierung mit Graphen im Schmelzspinnprozess hat in seiner in diesem Projekt vorgelegten Form keinen Erfolg. Es kann jedoch Lösungen für einzelne Aspekte entlang des Produktionsprozesses erarbeitet werden. Es wird ein Schmelzspinnprozess für elektrisch leitfähige Monofilamente mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von 71,584 S m-1 bei einer Wickelgeschwindigkeit von 17 m min-1 beziehungsweise von 0,442 S m-1 bei einer Wickelgeschwindigkeit von 80 m min-1 entwickelt. Eine wesentliche Herausforderung beim Schmelzspinnen von Graphen- bzw. CNT-Compounds zu elektrisch leitfähigen Filamenten ist das Verstopfen der Spinnfilter durch die Partikeladditive, was zu einem Druckanstieg in der Spinndüse und einer Zwangsabschaltung der Schmelzspinnanlage führt. Mit Hilfe eines optimierten Spinnfilters kann die Filterstandzeiten, also der Zeit bis zum kritischen Druckanstieg in der Düse, signifikant erhöht werden. Vor diesem Hintergrund kann eine Möglichkeit aufgezeigt werden, Graphen- bzw. CNT-Compounds industriell und kontinuierlich im Schmelzspinnverfahren zu elektrisch leitfähigen Filamenten zu verarbeiten. Als weitere Anlagenentwicklung wird eine Spinndüse konstruiert, mit deren Hilfe Tri- Komponentenfasern mit nur zwei Extrudern produziert werden können. Dieser Tri-Komponenten- Schmelzspinnprozess eröffnet neue Möglichkeiten für funktionalisierte Fasern und wird Grundlage für weitere Projekte und Faserentwicklungen sein. Die Entwicklung eines schmelzspinnbaren polymeren Festkörperelektrolyts auf Basis von ionischen Flüssigkeiten hat keinen Erfolg. Die gewählten ionischen Flüssigkeiten unterliegen während des Compoundierungs- bzw. Schmelzspinnprozesses einer teilweisen Zersetzung. Die EIS-Analyse der hergestellten Polymerelektrolyte zeigt zudem, dass die für eine Elektrolytschicht notwendige Ionenleitfähigkeit im Polymercompound nicht erreicht wird. Ohne entsprechende Elektrolytschicht kann keine funktionsfähige Kondensatorfaser produziert werden. Ferner kann ein Messstand entwickelt werden, mit dem sich Multikomponenten-Textilfasern wissenschaftlich präzise und reproduzierbar hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Kapazität charakterisieren lassen. Damit wird ein weiterer Schritt in Richtung des grundlegenden interdisziplinären Verständnisses und der systematischen Erforschung von Materialien für Smart Textiles geleistet. Der Messstand wird zudem in einem bereits bewilligten Folgeprojekt weiterentwickelt, um temperaturabhängige Bestimmungen der elektrischen Eigenschaften von Textilfasern zu können. Außerdem wird angestrebt, eine entsprechende Prüfnorm für die elektrischen Eigenschaften von Textilfasern mithilfe des Messstandes auszuarbeiten und zu veröffentlichen. Da der Polymerelektrolyt mit ausreichender ionischer Leitfähigkeit die größte und eine aktuell unlösbare Herausforderung bei der Entwicklung elektrisch kapazitiver Tri-Komponenten-Fasern darstellt, soll in weiterführenden Forschungen die Eignung von Gelelektrolyten untersucht werden. Da sich diese jedoch aufgrund ihrer thermischen Stabilität nicht im Schmelzspinnprozess verarbeiten lassen, sollen die Elektrodenkomponenten der Fasern im Lösungsmittelspinnprozess produziert werden. Dazu müssen geeignete (intrinsisch) elektrisch leitfähige Polymere gefunden und das Konzept der Tri-Komponentendüse auf den Lösungsmittelspinnprozess übertragen werden. Ein entsprechendes Projekt befindet sich bereits in Planung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of graphene-modified yarns and woven fabrics for next-generation textiles; In: Setcor Media FZ-LLC (Ed.): Book of Abstracts / Smart Materials & Surfaces - SMS EUROPE 2017; European Graphene Forum - EGF 2017; Joint International Conferences, 26th - 28th April, 2017, Paris - France. - Dubai, UAE: Setcor Media FZ-LLC, 2017
Weise, B.; Köppe, G.; Völkel, L.; Seide, G.; Morgenstern, M.
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Investigation of dispersion on carbon nanoparticles in polymer melt for the fabrication of functional filaments; Industrial Nanocomposites 2017, Stuttgart 10.-11.10.2017
Orth, M.
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Melt- and wet-spinning of graphene-polymer nano-composite fibres for mulitfunctional textile applications; Materials Today: Proceedings 4 (2017), H. Supplement 2, S. S135–S145
Weise, B.; Völkel, L.; Köppe, G.; Schriever, S.; Mroszczok, J.; Köhler, J.; Scheffler, P.; Wegener, M.; Seide, G.
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CNTs in Fibres: Multilayered polymerfibers for conductive and sensoric applications: materials study of bicomponent fibers to manufacture semi-conductive polymer-based monofilaments; MSE 2018: Materials, Science, Engineering; European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes, September 26th - 28th, 2018, Darmstadt, Germany
Orth, M.; Mohr, B.; Gries, T.
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Entwicklung graphenmodifizierter Multifilamentgarne zur Herstellung textiler Ladungsspeicher; Aachen: Shaker, 2018; Zugl: Aachen, RWTH Aachen Dissertation, 2018 (Textiltechnik/Textile Technology)
Weise, Benjamin Alexander
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Melt spinning of carbonnanoparticle-modified polyamide for technical applications; In: Akalin; Mehmet; Usta, Ismail; Isgoren, Erkan; Yuksek, Metin; Sancak, Erhan; Uzun, Muhammet (Eds.): Book of Abstracts / ETT 2018: 8th International Istanbul Textile Conference; Evolution of Technical Textiles = 8. Uluslararasi Istanbul Tekstil Konfer
Orth, M.; Akdere, M.; Gries, T.
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CNTs in Fibers: Manufacturing of bi-component fibres; Global Conference on Carbon Nanotubes and Graphene Technologies, March 28-29, 2019, Milan, Italy
Orth, M.; Kammler, S.; Gries, T.
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Improvement of dispersion by sonication of Graphene-compounds in the melt spinning process; Global Conference on Carbon Nanotubes and Graphene Technologies, March 28-29, 2019, Milan, Italy
Kammler, S.; Orth, M.; Bandelin, J.; Vad, T.; Gries, T.
