Dispergierung von CNT in Duroplasten. Dr. Christian Seidel, Corporate Technology, Siemens AG

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1 Dispergierung von CNT in Duroplasten Dr. Christian Seidel, Corporate Technology, Siemens AG

2 Relevanz der Dispergierung Speichermodul [MPa] Mechanische Composite- Eigenschaften Epoxid ungefüllt 1% Baytubes COOH Amin Säureanhydrid? CNT - Dispergierung Spez. Widerstand (Ohm*cm) Specific conductivity (Ohm cm) 1.0E E E E E E E+04 Elektrische Composite- Eigenschaften CNT in Epoxy 1.0E CNT Filler Konzentration content (wt-%)(wt %) CNT 1 CNT 2 Carbon Black Viscosity [Pa.s] Verarbeitungseigenschaften Viscosity Measurements : Comparison of different materials T = 25 C, D = 250 1/s Unfilled Matrix Nanocyl 0,1% Nanocyl % 80 Baytubes Standard 0,1 % 60 Baytubes Standard 1% Time [sec]

3 Welches sind die relevanten Fragestellungen? Leitfragen aus Anwendersicht: Welchen Dispersionszustand können wir wie erreichen? Welche Eigenschaften resultieren daraus? Was tut sich nach der Dispergierung (Stabilität, Eigenschaftsänderungen)?

4 Welches sind die relevanten Fragestellungen? Leitfragen aus Anwendersicht: Welchen Dispersionszustand können wir wie erreichen? Welche Eigenschaften resultieren daraus? Was tut sich nach der Dispergierung (Stabilität, Eigenschaftsänderungen)?

5 Eingesetzte Materialien 1. Harze: Windkraft, Leichtflugzeuge Material: Epoxy Typen: Niedriger Tg (ca. 80 C), Visk.: mpas Hexion MGS RIM RIMH1366 Hoher Tg (ca. 140 C), Visk.:10000 mpas Huntsman LY556/ CH917/D CNT- und Benchmarkmaterialien: Luftfahrt, Konstruktion CNT Baytubes Benchmark: CNT Future Carbon, Nanocyl 7000, Arkema, CNT CB Evonik Printex Xe2 CF z. B. Toho Tenax Graphit z. B. Future Carbon

6 Stufen der Dispergierung Quelle: BYK

7 Eingesetzte Dispergierungstechnologien Partner BASF BYK Exakt Future Carbon Siemens TUHH Technologie Kneter, Extrusion, Dispermat Perlmühle, 3-Walzwerk, Dissolver 3-Walzwerk Dissolver, Ultraschall, Schleudern Perlmühle, Walzwerk, Dissolver 3-Walzwerk

8 Grobdispergierung für unterschiedliche Dispergiervorgehen Material: RIM 135 / LY556 + Baytubes C 150 P Auswertung: Lichtmikroskopie Harz 0,5 % Perlmühle 2% Dreiwalzwerk 0,5 % Dissolver 3% Dissolver RIM 135 LY 556 Quelle: Siemens

9 Welches sind die relevanten Fragestellungen? Leitfragen aus Anwendersicht: Welchen Dispersionszustand können wir wie erreichen? Welche Eigenschaften resultieren daraus? Was tut sich nach der Dispergierung (Stabilität, Eigenschaftsänderungen)?

10 Einfluss Dispergiertechnologie auf elektrischen Widerstand Probenherstellung: Direktdispergierung 1,00E+13 1,00E+12 0,3 % Baytubes C 150P in Araldit LY 556 spez. el. Widerstand in Ωcm 1,00E+11 1,00E+10 1,00E+09 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 1,00E+02 ohne Baytube NC7000 Baytube NC7000 Baytube NC7000 NC-NH2 Referenz Dissolver Dissolver Perlmühle Perlmühle Walzwerk Walzwerk Walzwerk Probenbezeichnung Quelle: Siemens

11 Elektrische Leitfähigkeit: Verhalten von CNTs gegen Carbon Black ~0,3 S/m Basisharz: LY556 Notwendiger Füllstoffgehalt für Leitfähigkeit von 0,3 S/m bei CNT ~0,5% und bei Ruß ~2% Viskositäten: CNT: 22Pa s; CB: 65Pa s Quelle: Future Carbon

12 Einfluss Dispergierzeit auf CNT- Vereinzelung und Mechanik 15 min E-Modul von gehärtetem RIM mit 0,3%Baytubes bei unterschiedlichen Mischzeiten in der Perlmühle - Biegeversuch E-Modul [N/mm²] min 30 min 2300 Referenz Mischzeit in der Perlmühle [t/min] 120 min Zunehmende Dispergierzeit Quelle: Siemens

13 Viskosität RIM 135: Technologie-, Material-, und Temperaturabhängigkeit Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur (Baytubes bzw. NC7000 in RIM135) Viskosität [ mpas ] D = 250 1/s RIM135/NC7000 0,5% /Dissolver RIM135/NC7000 0,1% /Dissolver RIM135/Baytubes 0,5% /Perlmühle RIM135/Baytubes 0,1% /Perlmühle Temperatur ( C) Viskositätsniveau für NC 7000 höher als für Baytubes Unterschiede zwischen Dispergiertechnologie geringer Mit zunehmender Temperatur geringere Unterschiede Quelle: Siemens

14 Welches sind die relevanten Fragestellungen? Leitfragen aus Anwendersicht: Welchen Dispersionszustand können wir wie erreichen? Welche Eigenschaften resultieren daraus? Was tut sich nach der Dispergierung (Stabilität, Eigenschaftsänderungen)?

15 Stufen der Dispergierung Quelle: BYK

16 Reorientierung & Leitfähigkeitsveränderung während Verarbeitung Zeitraufgelöste Veränderung des spezifischen Widerstands während Härtung Reorientierung von Baytubes im flüssigen Epoxidharz Time resolved conductivity Nanocyl 0,5 second test 1,0E+07 Value after curing MWCNT in Epoxy Spez. Widerstand (Ohm*cm) 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 Dissolver 1,0E Zeit (h) Reorientierung der CNTs beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit Quelle: Siemens Kugelmühle

17 Dispergieradditive: Einfluss auf Leitfähigkeit und Viskosität Konzentration: CNT : Dispergieradditiv = 1 : 1 Einfluss von Dispersionshilfsmitteln auf Widerstand (0,5 Ma. % Partikel) Einfluss von Dispersionshilfsmitteln auf Viskosität (0,5 Ma. % Partikel) Volumernwiderstand [Ohm*cm] 1,0E+11 1,0E+10 1,0E+09 1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 Viskosität [mpa*s] 4,5E+03 4,0E+03 3,5E+03 3,0E+03 2,5E+03 2,0E+03 1,5E+03 1,0E+03 5,0E+02 0,0E+00 T = 25 C, D = 250 1/s Verringerung von Volumenwiderstand und Viskosität möglich RIMI Baytubes RIMI Baytubes + BYK 2155 RIMI NC 7000 RIMI NC BYK 2155 Quelle: BYK/Siemens/TUHH

18 Zusammenfassung Welchen Dispersionszustand können wir wie erreichen? Deutliche Unterschiede der Dispergierwirkung Gute Vereinzelung der CNTs nachgewiesen Parameteranpassung für einzelne Technologien wichtig Welche Eigenschaften resultieren daraus? Deutliche Erhöhung der Harzviskositäten durch CNT-Füllung; Unterschiede reduzieren sich bei erhöhter Verarbeitungstemperatur Erzielte Leitfähigkeiten bei 1 S/m für CNT-Konzentration < 1 % Steigerung von mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit, Zähigkeit; Effekte bei Bruchmechanik nachgewiesen; Stark abhängig vom Harz und CNT Was tut sich nach der Dispergierung (Stabilität, Eigenschaftsänderungen)? Lagerstabilität abhängig von betrachtetem Harz zu optimieren (Viskositätseinfluss) Morphologieänderung während Verdünnung / Fließen unter geringer Scherung Beeinflussung durch Dispergieradditive möglich?!

19 CarboDis Dispergieren von CNTs in Duroplasten Vielen Dank! Gerätetechnologie zum Dispergieren, Ulf Köpke, Exakt Advanced Technologies GmbH 21