CarboCar: Elektrisch leitfähige Organobleche stellen sich den Herausforderungen der Industrie

Transkript

1 CarboCar: Elektrisch leitfähige Organobleche stellen sich den Herausforderungen der Industrie K. Hildebrandt, P. Mitschang, A. Hebestreit, M. Niemann, M. Schuck,

2 Gliederung 1.Ziel und Motivation 2.Materialien 3.Materialentwicklung 4.Prozessentwicklung 5.Zusammenfassung 2

3 Applications Cross-sectional technologies Innovationsallianz Carbon Nanotubes Innovationen für Industrie und Gesellschaft CarboScale: Manufacturing Electronics CarboFilm CarboAktiv CarboFEM CarboTCF SWCNT Gas phase Thermoplastics MWCNT CarboFunk: Functionalization Liquid phase CarboDis: Dispersion Energy & Environment CarboElCh CarboKat CarboInk CarboFuel CarboPlate CarboPower CarboMembran Thermosets Mobility CNF Plasma Elastomers CarboShield CarboSlide CarboCar CarboRoad CarboAir CarboSpace Lightweight construction CarboProtekt CarboTube CarboElast CarboMetal CarboBau CarboSafe/CarboLifeCycle: Health, environment, safety 3

4 Ziele Elektrisch leitfähige FKV für die Automobil- und Luftfahrtindustrie Class-A Oberflächen Online-Lackierfähigkeit (Karosserie) Antistatische Funktionen Funktionsintegration (Luftfahrt) 4

5 leitend antistatisch ESTA Motivation Elektrische Leitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Leiter Halbleiter Isolatoren Kupfer, Gold Aluminium, Eisen Germanium Silizium Graphit CNT Ruß gefüllte Polymere Diamant Polyamid Polycarbonat Polyethylen 5

6 Materialien Vielzahl an Matrizes Matrixmaterial: Technische Thermoplaste PA6, PA66 (beide teilkristallin), PC, PC/ABS, APEC (amorph) Hochleistungsthermoplaste PPS, PPA, PEEK (alle teilkristallin) Nanofüllstoffe: Einsatz verschiedener CNT-Typen (Baytubes C150P, C150HP, C70P), Nanocyl NC7000, Leitruß Printex XE2 CNT Gehalt 0 % 1 % 3 % 4 % 5 % 6 % 7 % PA 6.6 X X X X X PA 6 X X X X PC X X X X PC/ABS X X APEC X X PPS X X X PEEK X X X PPA X X X 6

7 Prozesskette zur Herstellung von Organoblechen Compoundierung Compounds Verstärkungstextil Halbzeugherstellung Halbzeuge Thermoformen 7

8 8

9 Materialentwicklung - Compoundentwicklung Folie aus Polycarbonat mit 5 % CNT (Herstellung BTS auf Folienversuchsanlage) direct (TTC); C 150 P direct (BTS), 2 mal dispergiert; C 70 P 200 µm 200 µm 500µm 9

10 Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Elektrische Leitfähigkeiten der Polycarbonat-CNT-Compounds Erforderliche Mindestleitfähigkeit Source: Evonik Industries AG Ruß Source: phys. stat. sol. (b) 244, No. 11, (2007) Baytubes C 150P CNT-Compounds erreichen eine elektrische Leitfähigkeit um10 0 S/m PC-Compounds mit 4 Gew.-% Printex XE2 sind nicht messbar Die elektrische Leitfähigkeit der PC-Folien mit 8 Gew.-% Printex XE2 bewegt sich um 10-3 S/m 10

11 Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Elektrische Leitfähigkeiten der Polycarbonat-CNT-Composites Messungen an GF/PC-Composites Laminatdicke: 1,9 mm Faservolumengehalt: V f = 55% Erforderliche Mindestleitfähigkeit Die elektrischen Leitfähigkeiten der untersuchten FKV sind generell höher als die Leitfähigkeiten der Polymerfolien, aus welchen sie hergestellt wurden PC-Composites mit 4 Gew.-% Printex XE2 besitzen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit 11

12 Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Elektrische Leitfähigkeiten der Polyamid-CNT-Compounds Erforderliche Mindestleitfähigkeit Ein CNT-Gehalt von 1 und 3 Gew.-% führt in PA 6.6 zu keiner messbaren elektrischen Leitfähigkeit Ein CNT-Gehalt von 3 Gew.-% in PA 6 führt zu keinem Perkolationsnetzwerk Generell ist die Leitfähigkeit in PA 6.6 verglichen mit PA 6 höher 12

13 Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Elektrische Leitfähigkeiten der Polyamid-CNT-Composites Messungen an GF/PA-Composites Laminatdicke: 2,5 mm Jeweils nur eine PA/CNT-Folien auf Ober- und Unterseite Faservolumengehalt: V f = 48% Erforderliche Mindestleitfähigkeit Vormals nichtleitende Compounds sind verarbeitet zu elektrisch leitenden FKV Verglichen mit den Compounds nimmt die Leitfähigkeit generell zu Bei gleicher CNT-Konz. sind PA 6.6-Composites leitfähiger verglichen mit PA 6- Composites 13

14 Oberflächenanalyse - Pulverbeschichtung von PA6 und PA6.6 Erfolgreiche Pulverbeschichtung von CNT-modifizierten PAund PC-basierten FKV 14

15 Elektrische Leitfähigkeiten von CNT-modifizierten HT-Thermoplasten 15

16 Elektrische Leitfähigkeiten von CNT-modifizierten HT-Thermoplasten 16

17 Oberflächenmodifikation durch Wirrfaservliese Polymer: Makrolon 2408 (Polycarbonat) Faserverstärkung: Köper 2/2-Glasgewebe (Hexcel 1102) Wirrfaservliese mit Flächengewichten von 15 bzw. 25 g/m² in unterschiedlicher Anzahl übereinander Hexcel 1102/PC2408 G-Vlies 26 g/m² C-Vlies 15 g/m² C-Vlies 25 g/m²

18 Oberflächenmodifikation durch Wirrfaservliese Reduktion der Welligkeitskennwerte um bis zu 40 % gegenüber unmodifizierten Organoblechen Weiteres Potential durch variotherme Prozessführung möglich 18

19 Einsatz von variotherme Prozessführung Werkzeugaufheizung über Induktion Heizraten ~150 K/min bis 300 C Abkühlung per Wasserkreislauf Tauchkantenwerkzeug Größe: 470 x 580 mm² Bauteildicke: mm, Kavität wird durch wechselbare Einsätze gebildet Maximale Formteilhöhe bei komplexen Teilen 70mm 19

20 Einsatz von variotherme Prozessführung 20

21 Variotherme Prozessführung Einfluss auf Oberflächenwelligkeit Nochmalige Reduktion der Welligkeit um 40 % gegenüber Umformung mit isothermen Werkzeugen Vliese stören die Texturabbildung der Gewebe an der Oberfläche 21

22 Zusammenfassung Einsatz von CNT ermöglicht ausreichende elektrische Leitfähigkeit sowohl in Technischen- als auch in Hochleistungs- Thermoplaste Elektrostatische Lackierung der CNT-modifizierten Organobleche möglich Variotherme Prozessführung beim Thermoformen reduziert die auftretende Welligkeit 22

23 Danksagung Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenprogrammes Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft WING (03X0050A-F) finanziert und vom Projektträger Jülich, Deutschland (PTJ) verwaltet. Wir danken allen Projektpartnern für die gute Zusammenarbeit

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24