Neues Kooperationsmodell zur Generierung von Leit märkten für Produkte auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren

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1 Kohenstoffnanoröhrchen Innovationsallianz Carbon Nanotubes Inno.CNT Neues Kooperationsmodell zur Generierung von Leit märkten für Produkte auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren P. Krüger * Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) sind bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt und wurden seit ihrer Entdeckung in vielfältigster Weise wissenschaftlich untersucht. Dabei wurde ihnen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften und Eigenschaftskombinationen große Aufmerksamkeit zuteil. Dennoch hat die Übertra gung der CNT-Synthese aus dem Labor in einen technischen Maßstab viel Zeit in Anspruch genommen, so dass kommerziell relevante Mengen und Qualitäten erst seit einigen Jahren auf dem Markt sind. Trotz der zahlreichen vielversprechenden prinzipiellen technischen Anwendungsmöglichkeiten der CNT und deren kommerzieller Verfügbarkeit sind die realen Anwendungen weit hinter den Erwartungen zurückgeblieben. Neben den technischen und anwendungsbezogenen Herausforderungen entlang der Wertschöpfungsketten sind auch komplexe Patentlandschaften und Sicherheitsfragen als potenzielle Barrieren für eine Marktdurchdringung anzusehen. Um wesentliche Elemente dieser Herausforderungen anzugehen, wurde die Innovationsallianz Carbon Nanotubes Inno.CNT ( gegründet. Die Allianz entwickelt mit 90 Partnern aus Industrie und Akademie in 27 vernetzten Projekten Grundlagen von Technolo gien und von Anwendungen für CNTbasierte Materialien. Inno.CNT hat als ein vernetztes breites, öffent lich-pri vates Koope rations modell zurzeit ein Gesamtvolumen von ca. 90 Mio. EUR bei einer Laufzeit von sechs Jah ren und einer ca. 50%igen Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Inner halb der Allianz arbeiten 22 Projekte an nachhaltigen Anwendungen auf den Gebieten Ener gie/umwelt, Mobilität, Leichtbau und Elektronik. Drei Querschnittsprojekte sind mit grundle gen den Technologien der CNT-Herstellung, -Modifikation und -Dispergierung befasst. Zwei übergreifende Projekte beschäftigen sich mit Untersuchungen zur Sicherheit in den unterschiedlichen Phasen des CNT-Produktlebensweges. Carbon nanotubes (CNT) were discovered several decades ago and have been the focus of intensive scientific and technical research in an extremely wide range of fields ever since. Due to their outstanding properties and exciting combinations thereof, they set the scientific community afire with enthusiasm. However, the transfer of CNT synthesis from the laboratory to production on an industrial scale took a great deal of time, so that CNT only recently became available in commercially relevant quantities and qualities at competitive prices. Despite the multitude of potentially highly promising scientific and industrial applications for CNT, the actual use of CNT-based materials has remained far behind expectations. In addition to the technical and application-based challenges along the value chain, issues with regard to complex intellectual property landscapes as well as potential safety issues pose obstacles to market penetration. The Innovation Alliance Carbon Nanotubes Inno.CNT ( was founded in order to focus on solutions for the above described challenges. With 90 partners in industry and academic research, this cluster of 27 crosslinked projects is developing fundaments for technologies and applications for CNT-based materials. As an interdisciplinary collaborative network of public and private entities, Inno.CNT currently has a total budget of EUR 90 million for a period of six years, roughly half of which is supported by the German Federal Ministry of Education and Research. Within the Alliance, twenty-two projects focus on sustainable applications in the areas of energy/environment, mobility, lightweight construction, and electronics. Three projects are dedicated to the basic technologies involved in the manufacture, functionalisation, modification and dispersion of CNT. Finally, two platform projects are considering safety issues throughout the various phases of CNT product lifecycles. * Dr. Péter Krüger peter.krueger@bayer.com Clusterleiter Inno.CNT, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen Vortrag, Nanopolymers 2011, September 2011, Düsseldorf, ismithers Veröffentlichung mit freundlicher Genehmigung von ismithers, Shawbury, Shrewsbury, Shropshire, UK 1. Einleitung Unsere heutige Zeit wird wesentlich von gesellschaftlichen Herausforderungen geprägt, die die Zukunft kommender Generationen entscheidend beeinflussen werden. Innovationen bieten neue Lösungsansätze auf den Gebieten Klima- und Umweltschutz, bei der effizienten Nutzung von Ressourcen, bei der Umwandlung, der Speicherung, dem Transport und der effizienten Nutzung von Energie, der Mobilität, der Gesundheit, der Ernährung sowie der Information und Kommunikation. Bei allen Innovationen müssen Erfindungen aus dem Labor in kommerziell erfolgreiche und sichere Anwendungen entlang von Wertschöpfungsketten übertragen werden. Dabei bilden neue Werksstoffe im Allgemeinen und neue kohlenstoffbasierte Materialien im Speziellen oft entscheidende Grundlagen für vielversprechende Systemlösungen. 2. Strukturen des Kohlenstoffs 2.1 Klassische Kohlenstoffstrukturen Kohlenstoff bildet als weit verbreitetes vielseitiges Element unterschiedliche Strukturen mit seit langem bekannten breiten Eigenschaftsspektren. Er bildet chemisch 498 GAK 8/2012 Jahrgang 65

2 betrachtet einerseits wie beim Diamanten dreidimensionale Strukturen, die sich durch ihre extrem guten optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften (z. B. sehr hohe Härte und Wärmeleitfähigkeit) auszeichnen. Andererseits besitzt z. B. in Grafit die zwei dimensional hexagonale Anordnung von Kohlenstoffatomen durch die starke Kopplung der Atome in der Ebene ebenfalls bemerkenswerte mikroskopische thermische und mechanische Eigenschaften in lateraler Dimension. Die lediglich schwache Verknüpfung der einzelnen Grafitebenen untereinander und die polykristalline Struktur führen jedoch zu einem mechanisch weichen Werkstoff mit insgesamt eher unspektakulären makroskopischen Eigenschaften. Schließlich ist der amorphe Kohlenstoff, als eine Mischung von kurzreichweitigen zwei- und dreidimensionalen Atomanordnungen ebenfalls seit langem bekannt. Er wird als nanoskaliger bzw. nanostrukturierter Industrieruß (Carbon Black, CB) seit langem als Füllstoff in der Kautschukindustrie unter anderem in Reifen und in technischen Gummi waren eingesetzt. 2.2 Nanoskalige Kohlenstoffstrukturen Die strukturell betrachtet einfachste Nano kohlenstoffvariante besteht aus einer einzelnen, isolierten zweidimensionalen Anordnung von Kohlenstoffatomen; d. h. aus einer einzelnen mikroskopisch freistehenden Grafitlage, dem sogenannten Graphen [1]. Eine einzelne zu einer Röhre aufgerollte Grafitebene ist die sogenannte einwandige Abb. 1: Multi wall carbon nanotubes (MWCNT) bestehen aus konzentrisch ineinander gelagerten einzelnen Nanoröhren. (Foto: Inno.CNT) Kohlenstoffnanoröhre (Single Wall Carbon Nanotube, SWCNT), die einen Durchmesser in der Größenordnung von einem Nanometer und eine Länge im Mikrometerbereich besitzt. Käfigartige Anordnungen von Kohlenstoffatomen, wie z. B. C60-Fulleren [2] und kurze einwandig konisch zulaufende Strukturen, Kohlenstoffnanohörner [3] sind ebenfalls mögliche und vorkommende quasi zweidimensionale Arrangements von Kohlenstoffatomen. Eine wesentlich höhere strukturelle Komplexität weisen sogenannte mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (Multi Wall Carbon Nanotubes, MWCNT) auf, die im Wesentlichen formal aus konzentrisch ineinandergeschobenen SWNT bestehen (Abb. 1). Die MWCNT können typischerweise mit zwei bis zirka 30 Wänden (d. h. bis zu zirka 30 einzelne ineinander gelagerte Einzelröhren) einen Durchmesser von 2 bis zirka 30 nm und eine Länge im Mikrometerbereich aufweisen [4]. Weitere Strukturen, wie ineinander gelagerte Nanohörner als Cap-stack-Struktur und kleine aufeinander angeordnete Plättchen als Kohlenstoffnanofilamente sind darüber hinaus ebenfalls bereits bekannte Nano kohlenstoffe [5]. Abb. 2: Bei der Produktion mehrwandiger CNT mittels CCVD-Prozessen werden bis zu mm große Agglomerate erzeugt, in denen die MWCNT spaghettiartig verknäult vorliegen. (Foto: Inno.CNT) Kohlenstoffnanostrukturen weisen insgesamt eine Kombination von verschiedenen hochattraktiven mikroskopischen Eigenschaften auf [6]. Sie haben prinzipiell enorme mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften. Bei der idealen SWCNT-Struktur sind die mechanischen Kennwerte und elektronischen Charakteristika (je nach Orientierung halbleitend oder metallisch) aufgrund der Defektfreiheit besonders bemerkenswert [5]. Darüber hinaus zeigen CNT hohe chemische und thermische Beständigkeiten und aufgrund des großen Aspektverhältnisses hohe Oberflächen- zu Volumen-Verhältnisse bei geringer makroskopischer Dichte. Fullerene sind beispielsweise aufgrund ihrer elektronischen Struktur als Radikalfänger bekannt [7]. 3. Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren im industriellen Maßstab Obwohl CNT schon in den 1950er Jahren in Russland [8], dann in den 1970er Jahren von M. Endo in Japan [9] beschrieben wurden, erfolgte ein Schub in der CNT-Forschung erst nach der Veröffentlichung von Iijima über CNT Anfang der 1990er Jahre [10]. Basierend auf der anschließend exponentiell ansteigenden Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten und Veröffentlichungen setzte die für Innovationen erforderliche technologische Entwicklung von Produktionsverfahren ein. Aufgrund der technologischen Perspektive wurde die höchste Aufmerksamkeit unter den Nanokohlenstoffen den SWCNT und MWCNT gewidmet. Für eine Übertragung der Laborverfahren in den kommerziellen Maßstab ist grundsätzlich ein effizienter Herstellungsprozess erforderlich, der zu hoher Produktreinheit und zu reproduzierbaren Produktqualitäten führt. Damit potenzielle Nutzer der Nanokohlenstoffe mit langfristigen neuen Anwendungsentwicklungen beginnen können, ist die Aussicht auf adäquate Produktverfügbarkeit in der Lieferkette zwingend. Daher ist eine zuverlässige Produktbereitstellung mit nach Bedarf aufskalierbaren Qualitäten und Quantitäten notwendig, was auch die Gewährleistung der Sicherheit der Produkte für Mensch und Umwelt beinhaltet. 20 nm 2 µm Vor dem Hintergrund dieser für eine erfolgreiche Kommerzialisierung der Nanokohlenstoffe notwendigen Bedingungen haben sich unterschiedliche Verfahren zur effizienten Herstellung der verschiedenen CNT- Typen als vielversprechend herausgestellt. GAK 8/2012 Jahrgang

3 Kohenstoffnanoröhrchen Laserverdampfung, Lichtbogenverfahren sowie zum Teil auch katalytisch chemische Abscheidungsverfahren (Catalytic Chemical Vapour Deposition, CCVD) haben sich für SWCNT als effizient erwiesen. Dabei entstehen halbleitende und metallische SWCNT in Kombination mit einem hohen amorphen Kohlenstoffanteil. Für die meisten Anwendungen ist daher noch eine aufwendige Aufreinigung der Produkte erforderlich. Für MWCNT haben sich im Wesentlichen CCVD-Prozesse, z. B. in Wirbelschichtreaktoren mit hoher Raum-Zeit-Ausbeute und mit einer Reinheit von über 90 % und ohne eine zusätzlich notwendige Aufreinigung als kommerziell vielversprechende Produktionsverfahren herauskristallisiert. Dabei werden in den meisten Verfahren makroskopische, bis zu Millimeter große Agglomerate erzeugt, in denen die MWCNT spaghettiartig verknäuelt vorliegen (Abb. 2). Die Dichte der Agglomerate kann je nach Prozessführung und Katalysator stark variieren. Unterschiedliche Verfahren erzeugen zudem auch unterschiedliche CNT-Geometrien hinsichtlich Anzahl der Wände, Länge der Röhren und deren Verknäuelung. Die ersten entsprechenden Technikumsanlagen entstanden bereits etwa Mitte der 1990er Jahre, deren Aufskalierung erfolgte bei verschiedenen Unternehmen zu Produktions- bzw. produktionsnahen Anlagen etwa um die Jahrhundertwende [11]. 4. Anwendungsentwicklungen für Kohlenstoffnanoröhrchen In den vergangenen zehn Jahren fand eine intensive technologische Weiterentwicklung statt, so dass die im Jahr 2011 bekannt gegebenen weltweiten Produktionskapazitäten für CNT etwa bei Jahrestonnen liegen und mengenmäßig von den MWCNT dominiert werden. Die meisten weltweit etablierten Hersteller streben dabei Anwendungen ihrer CNT als Additive in Nanocomposites an. Dieses Vorgehen hat neben den technologischen Aspekten auch den Vorteil, dass eine signifikante Freisetzung von CNT und damit eine Exposition insbesondere in einer Gebrauchsphase der aus den Composites hergestellten Produkte ausgeschlossen werden kann und diese Anwendungen somit als sicher betrachtet werden können. Gegenüber den prinzipiell hohen verfügbaren Produktionskapazitäten lag der Bedarf für CNT im Jahr 2011 bei etwa Jahrestonnen [12], d. h. die Entwicklung von kommerziell erfolgreichen Anwendungen von CNT hinkt deutlich hinterher. Dies zeigt insgesamt, dass gegenwärtig nicht die prinzipielle Verfügbarkeit der CNT, sondern zum einen die Komplexität ihrer Verarbeitung und der damit verbundene hohe Prozessaufwand in verschiedenen Stufen der zum Teil weit ausgedehnten Wertschöpfungsketten geschwindigkeitsbestimmend ist. Zum anderen fehlen weiterhin durchschlagende Anwendungen, bei denen der durch die Komplexität bedingte hohe Prozessaufwand ökonomisch gerechtfertigt erscheint. Abb. 3: Oberflächenwiderstand / Ohm/Quadrat Abb. 4: Bilder: IPF/DKI CarboNet, [13, 14] Als Beispiel für die Komplexität der Weiterverarbeitungsprozesse können Anwendungen von CNT in leifähigen Polymerfolien für antistatische Verpackungen von elektronischen Bauteilen betrachtet werden. Dabei können MWCNT im Vergleich zum Stand der Technik mit CB als Leitfähigkeitsadditiv untersucht werden. Laborergebnisse unter optimalen Bedingungen ergeben eine etwa fünffach höhere Effizienz der CNT im Vergleich zu CB, d. h. bereits mit fünffach geringerem CNT-Additivanteil im Vergleich zu CB wird die Perkolationsschwelle mit entsprechend abnehmenden Oberflächenwiderständen erreicht (Abb. 3). Führt man die Untersuchungen statt unter optimierten Laborbedingungen in einer produktionsnahen Technikumsumgebung durch, so zeigen die Experimente eine verarbeitungsabhängige extreme Schwankung der Perkolationsschwellen und damit Variation der Oberflächenwiderstände um bis zu zehn Größenordnungen. Mikroskopische Untersuchungen solcher Composite-Systeme zeigen, dass für die Leitfähigkeit zum einen ein Aufbrechen der CNT-Agglomerate in der Polymermatrix er- CNT-haltige Polycarbonate erfordern im Vergleich zu CB-haltigen Polycarbonaten einen fünffach geringeren Additivanteil, um die gleiche niedrige Leitfähigkeit zu erzielen. (Foto: Inno.CNT) 1,E+11 1,E+10 1,E+09 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 Polymer: Makrolon 2805 Dispergiermaschine: Z SK 26Mc Schneckendrehzahl: 400 min -1 Drehmoment: 80 % Temperaturprofil: 280 C (Standard) Spritzgussteile Baytubes C150P Leitfähiger CB Baytubes-Anteil / Gew.-% Bei niedrigen CNT-Anteilen könnte eine leichte Agglomerationsneigung der CNT zur Reduzierung der Leitfähigkeit im Gesamtvolumen führen. (Foto: Inno.CNT) σ dc <10 16 S/cm σ dc 10 4 S/cm σ dc 10 4 S/cm Nicht leitfähig Konditionierung Leitfähig 500 nm 500 nm 500 nm 500 GAK 8/2012 Jahrgang 65

4 forderlich ist. Andererseits führt eine zu gute Dispergierung zum Unterschreiten der Perkolationsschwelle und damit zu niedrigen Leitfähigkeiten der Composites. Bei niedrigen CNT-Anteilen könnte daher beispielsweise eine leichte Neigung der CNT zur Agglomeration und damit die Herausbildung von cokontinuierlichen Phasenstrukturen mit stark unterschiedlichen CNT-Konzentrationen zu einem lokalen Überschreiten der Perkolationsschwelle in der CNT-reichen Phase und damit zur Reduzierung der Leitfähigkeit im Gesamtvolumen führen (Abb. 4). Anhand dieses Beispiels wird deutlich, dass für eine erfolgreiche Anwendung entlang einer Verarbeitungskette die richtige Wahl der CNT-Architektur (Durchmesser, Länge und Verknäuelung der Röhren) und die geeignete Beschaffenheit der CNT-Agglomerate (Größe und Dichte) nur einen ersten Schritt darstellen. Darüber hinaus ist oft die richtige Modifikation bzw. Funktionalisierung der CNT-Oberflächen für eine adäquate Wechselwirkung der CNT mit dem umgebenden Material notwendig. Weiterhin sind die geeignete Dispergierung der einzelnen CNT in dem Composite sowie die Stabilisierung des Dispergierzustandes für weitere Verarbeitungsschritte bis hin zum Endprodukt erforderlich, um schließlich zu kommerziell erfolgreichen Anwendungen Abb. 5: entlang der gesamten Wertschöpfungs kette zu kommen. Dabei entscheidet sich der Erfolg der Wertschöpfungskette beim Endkonsumenten, der vom Nutzen des Endproduktes überzeugt werden muss. Letztlich wird die Produktions- und Lieferkette erst dann zu einer wirklichen Wertschöpfungskette, wenn der Konsument das Endprodukt der Kette käuflich erwirbt und somit die Kommerzialisierung der Einzelbestandteile ermöglicht. 5. Die Innovationsallianz Carbon Nanotubes Inno.CNT Im Rahmen der Inno.CNT werden 22 Anwendungsprojekte auf den Gebieten Energie/Umwelt, Mobilität, Leichtbau und Elektronik mit drei Technologieprojekten und zwei Sicherheitsprojekten verknüpft. (Foto: Inno.CNT) Querschnittstechnologien CarboScale: Herstellung SWCNT MWCNT CNF CarboFunk: Funktionalisierung Gasphase Flüssigphase Plasma CarboDis: Dispergierung/Halbzeuge Thermoplaste Duroplaste Elastomere Anwendungen Elektronik Energie & Umwelt Mobilität Leichtbau CarboFilm CarboAktiv CarboFEM CarboTCF CarboElCh CarboKat CarboInk CarboFuel CarboPlate CarboPower CarboMembran CarboShield CarboSlide CarboCar CarboRoad CarboAir CarboSpace CarboProtekt CarboTube CarboElast CarboMetal CarboBau CarboSafe/CarboLifeCycle: Gesundheit, Umwelt, Sicherheit Um die oben genannte Lücke zwischen Produktionskapazität und Marktbedarf für CNT zu schließen und damit Grundlagen für Leitmärkte für CNT-basierte Produkte zu legen, ist eine breite Übertragung von Forschungsergebnissen im Labormaßstab in kommerzielle Anwendungen notwendig. Damit die im Labor demonstrierten technischen Potenziale von Nanokohlenstoffen und speziell von MWCNT zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen breit kommerziell nutzbar gemacht werden können, sind also möglichst viele Wertschöpfungsketten notwendig, die die überragenden mikroskopischen CNT-Eigenschaften in sichere und wettbewerbsfähige Endanwendungen überführen können. Für den Erfolg solcher Wertschöpfungsketten wird auf der einen Seite jeweils eine wirksame Lösung sehr spezieller Anwendungsprobleme benötigt. Auf der anderen Seite sind für verschiedene Anwendungen ähnlich gelagerte technologische Bausteine zur Herstellung, Modifikation bzw. Funktionalisierung und Dispergierung sowie Stabilisierung der zu verwendenden Nanokohlenstoffe erforderlich. Zudem muss für die sichere Handhabung und Nutzung von CNT-basierten Produkten entlang ihrer Lebens zyklen in den verschiedenen Wertschöpfungsketten durch zeitlich und inhaltlich angemessene Begleitmaßnahmen gesorgt werden. Die Innovationsallianz Inno.CNT hat sich dieser komplexen Herausforderung angenommen und mit besonderer Hilfe des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) eine in sich vernetzte Projektstruktur implementiert, in der die oben genannten Aspekte weitgehend berücksichtigt werden (Abb. 5). Die insgesamt 90 beteiligten Partner stammen aus kleinen, mittelständischen und Großunternehmen sowie aus Hochschulen und Instituten und sind in insgesamt 27 eng miteinander vernetzten Projekten mit einem Forschungsvolumen von zirka 90 Mio. EUR organisiert. Etwas über 50 % des Gesamtbudgets werden vom BMBF für die gegenwärtig geplante Laufzeit von zirka sechs Jahren als Förderung zur Verfügung gestellt. Dabei werden insgesamt 22 Anwendungsprojekte auf den Gebieten Energie/Umwelt, Mobilität, Leichtbau und Elektronik im Wesentlichen durch drei Technologieprojekte und zwei Sicherheitsprojekte miteinander verknüpft. Dabei bildet die Vernetzung der Projekte und damit die Verknüpfung einer Vielzahl von Partnern insgesamt einen bisher weltweit einmaligen Ansatz, um die Grundlagen eines Leitmarktes mit einer überkritischen Masse in möglichst kurzer Zeit fokussiert erarbeiten zu können. GAK 8/2012 Jahrgang

5 Kohenstoffnanoröhrchen 5.1 Querschnittsprojekte Das Projekt CarboScale bildet die Basis unter den Technologieprojekten und zielt einerseits auf die Weiterentwicklung von Verfahren zur Aufskalierung der Produktion von MWCNT. Andererseits werden die Entwicklung und Optimierung von Katalysatoren sowie deren aufskalierbaren Herstellungsverfahren vorangetrieben. Zusätzlich werden Methoden zur Herstellung von weiteren Nanokohlenstoffvarianten (SWCNT, DWCNT, VACNT, CNF) und deren Skalierbarkeit bearbeitet. Damit die Nanokohlenstoffe ihre hervorragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften in die makroskopische Welt übertragen können, ist eine gute Verbindung zwischen der Kohlenstoffoberfläche und der umgebenden Matrix unerlässlich. Diese Anbindung ist für jedes Matrixmaterial spezifisch, oft auch für die anvisierte Anwendung. Primäres Ziel des Projektes CarboFunk ist das Erzeugen passender Funktionalisierungen auf den CNT-Oberflächen für das Einbringen der CNT in unterschiedlichste Matrizes. Dies geschieht mittels innovativer, skalierbarer nach Möglichkeit In-Line-Prozesse. Neben möglichst vollkommenen Graphenoberflächen wird u. a. an folgenden Funktionalisierungen konkret gearbeitet: Carboxylgruppen, Hydroxyl, Amin, Anhydrid, SiO 2, Acrylat, Alylether, Epoxy. In den vergangenen Jahren wurden daher spezifisch funktionalisierte CNT für eine Reihe von Matrixmaterialien zur Verfügung gestellt. Die Einarbeitung der CNT in unterschiedliche polymere Matrizes technologisch besser zu verstehen und zu beherrschen beziehungsweise eine gute und stabile Vereinzelung der in der Regel agglomeriert vorliegenden CNT sowie deren gleichmäßige Verteilung in der sie umgebenden Matrix zu erreichen, ist die Aufgabe des Projektes CarboDis. CNT-Werkstoffe sollen, beispielsweise unter Zusatz neuartiger Dispergierhilfsmittel oder maß ge schneiderter funktionalisierter CNT, zielorientiert und kostengünstig für bekannte und neue Anwendungen erschlossen werden. Dabei bildet neben der Optimierung der Prozesse auch eine Weiterentwicklung und Bewertung von Dispergieraggregaten einen Bestandteil der Projektarbeit. 5.2 Sicherheitsforschung In den übergeordneten Projekten Carbo- Safe und CarboLifeCycle werden Sicherheitsaspekte der Inno.CNT-Projekte und die Charakterisierung und Detektion von CNT betrachtet: Ziel des Projekts CarboSafe ist es insbesondere, Bausteine für eine angemessene Risikobewertung von CNT zu erarbeiten. Dazu soll eine valide Online-Analytik entwickelt werden, die sowohl Partikel- und Agglomeratgröße, als auch Zusammensetzung, Konzentration und Größenverteilung (Anzahl, Oberfläche, Masse) für hergestellte CNT-Nanoobjekte bestimmt und in der Umwelt nachweist. Um die Herstellung, Anlagenwartung und das Handling von Nanopulvern angemessen bewerten zu können, wird die Weiterentwicklung stationärer und personengetragener Messtechnologie im Projekt konsequent vorangetrieben. Einen wichtigen Schwerpunkt bildet dabei die Entwicklung eines Messstandes zur Bestimmung der Nano objekt freisetzung während der Verarbeitung von nanoobjekthaltigen Produkten (z. B. beim Schleifen, Bohren, Sägen oder bei der Wiederverwertung von Nanocomposites). Insgesamt sollen CNT in verschiedenen Kompartimenten charakterisiert und auf dieser Basis das ökotoxikologische Potenzial von CNT-Produkten über den gesamten Lebenszyklus beurteilt werden. Die Ergebnisse sollen zusätzlich zur Festsetzung einer internationalen Norm im Bereich Gefahrenabschätzung von Nano-Emissionen beitragen. Im Projekt CarboLifeCycle werden darüber hinaus einzelne Bausteine zur Abschätzung der Freisetzung von CNT unter verschiedenen Be an spru chungs bedingungen in Lebenszyklen entlang von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten entwickelt. Diese werden zur sicheren Handhabung und Nutzung der CNT-Produkte beitragen. 5.3 Anwendungsprojekte Die durch die oben genannten Querschnittsprojekte vernetzten 22 Anwendungsprojekte fokussieren sich gezielt auf die vier Anwendungsgebiete Energie/Umwelt, Mobilität, Leichtbau und Elektronik, wobei die CNT zumeist in Form von Nanocomposites zum Einsatz gebracht werden sollen. Im Bereich Energie/Umwelt konzentrieren sich die sieben Projekte auf CNT-basierte Neuentwicklungen bei der Katalyse, Stofftrennung sowie bei der Energieumwandlung, -speicherung und -einsparung. Dabei sollen sie bestehende Anwendungen verbessern und neue Applikationen ermöglichen. Dazu gehören beispielsweise Innovationen in der Brennstoffzellen- und Batterietechnologie, auf CNT-basierende transparente und leitfähige Tinten für die Solarzellenentwicklung sowie Membrane zur energiesparenden Meerwasserentsalzung und Gasseparation. Bei der Entwicklung von energieeffizienten Konzepten im Bereich Mobilität spielt die Werkstofftechnologie eine Schlüsselrolle. Hochfeste Kunststoffe, auch in Verbundbauweise, werden dauerhaft zur Gewichtsund damit zur Energieeinsparung beitragen. Materialien auf CNT-Basis haben eine große Chance, zu einer verbesserten Energiebilanz im Mobilitäts- und Transportsektor beizutragen. Denn CNT-verstärkte Kunststoffe und Metalle sind leicht und erreichen zusätzlich eine sehr hohe Stabilität und Festigkeit. Neuartige Verbundwerkstoffe, die im Flugzeugbzw. Automobilbau zum Einsatz kommen, innovative Materialien für die Raumfahrt, CNT-modifizierte Lacke beispielsweise für den Blitzschutz bei Flugzeugen stehen deshalb im Fokus der sechs Projekte dieses Anwendungsbereichs. Gängige Konstruktionsmaterialien, die gegenwärtig in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Maschinenbau zum Einsatz kommen, gelangen zunehmend an die Grenzen dessen, was mit passiven Strukturen erreicht werden kann. Im Bereich Leichtbau bieten Konzepte auf CNT-Basis eine große Chance auch, um außergewöhnlichen strukturellen Belastungen zu widerstehen. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag für eine höhere Energie- und Ressourceneffizienz. Denn hochfeste, ultraleichte Materialien 502 GAK 8/2012 Jahrgang 65

6 ermöglichen eine leichtere Bauweise beispielsweise von Autos und Flugzeugen. Zudem sind CNT-basierte Partikelschäume in der Lage, für mehr Sicherheit im Straßenverkehr zu sorgen. Ein weiteres Beispiel ist ein Spezialbeton, der neben zusätzlichen Gestaltungsmöglichkeiten auch einen verbesserten Erdbebenschutz bietet. Vor diesem Hintergrund haben sich die insgesamt fünf Projekte im Bereich Leichtbau das Ziel gesetzt, leichte Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, Ultrahochleistungsbetone sowie mechanisch hoch belastbare Metalle zu entwickeln. Im Bereich Elektronik profitiert die Entwicklung immer leistungsfähigerer elektronischer Bauteile bei gleichzeitigem Zwang zu kostengünstigerer und anwendungsspezifischer Herstellung von den Möglichkeiten der Nanotechnologie. Besonders vielversprechend sind Innovationen auf CNT-Basis mit hoher Funktionsintegration, die über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit verfügen und zudem höchsten mechanischen Ansprüchen genügen. Das Spektrum der vier Projekte auf diesem Gebiet reicht von Displays über Röntgenquellen und photovoltaischen Anwendungen bis zu hochauflösenden Elektronenstrahl-Instrumenten. 6. Zusammenfassung Die einzigartigen Eigenschaften von Nano kohlenstoffen ermöglichen für die Zukunft Produkte und Anwendungen mit verbesserten oder auch ganz neuartigen Eigenschaftsprofilen, die zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Energie/Umwelt, Mobilität, Leichtbau und Elektronik wesentlich beitragen können. Dazu müssen Entwicklungen aus dem Labor in wettbewerbsfähige sowie nachhaltige Produkte und Anwendungen entlang zahlreicher Wertschöpfungsketten in kommerziellem Maßstab übertragen werden. Die Komplexität der einzelnen Wertschöpfungsschritte und der gesamten Wertschöpfungsketten selbst lässt erwarten, dass es noch längere Zeit dauern wird, bis CNTbasierte Lösungen ihren nachhaltigen Nutzen in großem Umfang unter Beweis stellen können. Um den Übergang von Erfindungen zu nachhaltigen Innovationen insgesamt erfolgreich gestalten zu können, spielt die begleitende Sicherheitsforschung für Nanokohlenstoffe eine entscheidende strategische Rolle. Insgesamt können öffentlich geförderte fokussierte Anstrengungen als Public Private Partnerships unter Einbindung und Vernetzung zahlreicher verschiedenartiger Partner, wie in Inno.CNT, signifikant zum Erfolg beitragen: Die Erarbeitung von Grundlagen kann wesentliche Beiträge zur Entwicklung von Leitmärkten und damit zur kommerziellen Etablierung von neuen Anwendungen und Produkten auf Basis von Nanokohlenstoffen ermöglichen. Hierbei bildet die Innovationsallianz Inno.CNT durch die Vernetzung der Projekte und damit die Verknüpfung einer Vielzahl von Partnern insgesamt einen bisher weltweit einmaligen Ansatz, um die Grundlagen eines Leitmarktes mit einer überkritischen Masse in möglichst kurzer Zeit fokussiert erarbeiten zu können. Diese Zusammenarbeit der beteiligten Unternehmen, Forschungsinstitute und Hochschulen wurde durch moderne internetbasierte Plattformen und im Rahmen zahlreicher gemeinsamer interner Veranstaltungen, Projekttreffen und Workshops unterstützt. Das wichtigste Element der Vernetzung besteht dabei aus den periodisch stattfindenden Jahrestagungen (Vortragsunterlagen und Poster der Jahrestagung 2012 zu den einzelnen Projekten sind unter zu finden). Hier werden die aus der Allianz resultierenden Ergebnisse dargestellt, die wissenschaftlichen Themen ausgetauscht, die weiteren Projektarbeiten abgestimmt und neue Themen für die weiteren zukünftigen Aktivitäten erarbeitet. Insgesamt kann mit dieser einmaligen Allianz die Position Deutschlands im kontinuierlich ansteigenden internationalen Wettbewerb durch sichere und nachhaltige neue Anwendungen und Technologien zur Adressierung wichtiger gesellschaftlicher Herausforderungen weiter gestärkt werden. 7. Literatur [1] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. 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