Development of electrically capacitive tri-component fibers by addition of graphene in the melt-spinning process (FiberCap)
Lightweight Construction, Textile Technology
Final Report Abstract
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.
Publications
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