Herstellung und Charakterisierung von Fasern aus Polymer-Komposits mit Metall-haltigen Kohlenstoffnanoröhrchen

Content Provider	Semantic Scholar
Author	Schäfer, Rita
Copyright Year	2010
Abstract	Die Entwicklung neuartiger Materialien, welche den wachsenden Anspruchen industrieller Anwendungen genugen, stellt einen wichtigen Aspekt der Polymerchemie, speziell auf dem Gebiet synthetischer Fasern, dar. Besonders die Verarbeitung von Nanopartikeln in Polymeren ist in den Mittelpunkt des Interesses geruckt. Vielversprechend ist der Einsatz von Kohlenstoffnanorohrchen (Carbon Nanotubes; CNTs) in Polymermatrices. CNTs sind anisotrope zylinderformige Makromolekule, die als nano-skalige Fasern betrachtet werden konnen. Sie bestehen aus Kohlenstoff, der in einer graphitischen Struktur angeordnet ist. Das Interesse an CNTs grundet sich auf deren herausragenden Eigenschaften wie hoher mechanischer Belastbarkeit und elektrischer Leitfahigkeit. Das Potential dieser Partikel lasst sich auserdem durch chemische Funktionalisierung oder das Einbringen eines Metalls in den Innenraum noch erheblich erweitern. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden grundlegende Untersuchungen zur Einarbeitung von mehrwandigen Kohlenstoffnanorohrchen (Multi Walled Carbon Nanotubes; MWNTs) in synthetische Fasern durchgefuhrt. Ein Punkt waren Untersuchungen zu einer chemischen Funktionalisierung der MWNTs, die eine Agglomeration wahrend des Spinnprozesses unterbinden sollte. Unter den Gesichtspunkten von hoherer elektrischer Leitfahigkeit der Partikel wurde in den Innenraum der eingesetzten MWNTs ein Metall eingebracht. Mit diesen erfolgten Untersuchungen bzgl. des Schmelz- und Nassspinnverfahren. Silber-haltige MWNTs konnten uber das Einbringen einer Losung von Silbernitrat und anschliesender Reduktion hergestellt werden. MWNTs konnten uber die in situ-Polymerisation von Styrol bzw. Acrylnitril im Sinn von MWNT/Polymer-Komposits funktionalisiert werden. Diese funktionalisierten MWNTs wurden in Polymermatrices eingebettet und diese zu Fasern versponnen: MWNT/Polystyrol-Komposits wurden durch Schmelzspinnen in einer PET-Matrix zu Fasern verarbeitet. Die Polystyrol-funktionalisierten MWNTs zeigten eine verringerte Neigung zur Agglomeration als unbehandelte MWNTs. Durch REM-Aufnahmen wurde bestatigt, dass die MWNTs trotz der Funktionalisierung durch das Polystryrol in der PET-Matrix durch den Spinnprozess in Richtung der Langsachse der Faser ausgerichtet werden. Die eingelagerten MWNTs bewirken jedoch eine Versprodung der Faser, da die MWNTs wie Storstellen zwischen den PET-Molekulketten wirken. MWNT/Polyacrylnitril-Komposits konnten in einer PAN-Matrix uber das Nassspinn-verfahren aus einer Spinnlosung zu Fasern versponnen werden. Auch in diesen Fasern wurden die funktionalisierten MWNT in Faserrichtung orientiert. Die Fasern sind nur schwer dehnbar, weisen aber hohe Elastizitatsmoduln auf. Aufgrund der hohen Anisotropie von CNTs hat deren raumliche Orientierung in der Faser Auswirkungen auf die Fasereigenschaften. Deshalb wurde die Ausrichtung der CNTs quantitativ vermessen. Besonders in PAN-Precursoren fur Carbonfasern kommt dies zu Tragen. CNTs werden als Keime fur die Bildung der fur Carbonfasern charakteristischen graphitischen Struktur diskutiert, und konnten deshalb als Additive eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurden PAN-Fasern, die sehr geringe Anteile von MWNTs enthielten, untersucht. Dies geschah durch Raman-Messungen mit linear polarisierter Laserstrahlung. Da die Intensitat der MWNTs hierbei in der PAN-Matrix zu gering war, wurde die Nitrilgruppe des Polyacrylnitrils als Bezugspunkt betrachtet. Auf diese Weise konnten Ruckschlusse auf den Zusammenhang zwischen der raumlichen Orientierung der MWNTs in der Faser und deren Einfluss auf die Fasereigenschaften gezogen werden. Die mechanischen Eigenschaften der Fasern konnten mit dem Depolarisationsgrad in Zusammenhang gebracht werden. Dies ist von Bedeutung, da die mechanischen Eigenschaften grosen Einfluss auf die Prozessfuhrung bei der Herstellung von Carbonfasern haben. Des weiteren wurde der Einfluss von MWNTs auf die Oxidation und Carbonisierung von PAN-Fasern mit MWNTs untersucht. Die Anwesenheit von MWNTs und besonders von Metall-haltigen MWNTs in der Faser wirkte sich positiv auf die Bildung der graphitischen Struktur aus. Die Untersuchungen zeigen den vielfaltigen Einfluss von MWNTs auf PAN-Precursoren fur Carbonfasern: Die PAN-Faser kann durch die Kenntnis uber die raumlichen Orientierung der MWNTs in ihren mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden. Auserdem kann die Carbonisierung bzw. die Bildung der graphitischen Struktur durch die Anwesenheit von MWNTs, und besonders Silber-haltigen MWNTs gesteuert werden. Eine zusatzliche Bestrahlung mit beschleunigten Elektronen vor der Carbonisierung verstarkt diesen Effekt. Die Berucksichtigung dieser Faktoren konnte sowohl eine vereinfachte Prozessfuhrung bei der Herstellung, als auch eine Optimierung der Eigenschaften von Carbonfasern ermoglichen. The developement of new materials which are sufficient to the increasing requirements of industrial applications is an important aspect in polymer chemistry, especially in the field of man-made fibres. In particular adding nanoparticles to polymer matrices has become the spotlight of investigations. Carbon Nanotubes (CNTs) are one the most promising particles. These are anisotropic, cylindrical macromolecules which can be considered as nano-scale fibres consisting of carbon with a graphitic structure. The interest in CNTs is based upon their outstanding properties like high tensile strength and electrical conductivity. The possibilities for applications of these particles can even be enlarged by chemical functionalization or placing metals in the inner core of CNTs. Here fundamental aspects of man-made fibres containing Multi Walled Carbon Nanotubes (MWNTs) were investigated. One aspect was the chemical functionalization of MWNTs to supress the agglomeration during the spinning process. To reach higher electrical and thermal conductivity, metal particles were placed in the inner cavity of the MWNTs. Investigations were carried out on melt spinning and wet spinning process. Silver-filled MWNTs were produced by inserting a solution of silver nitrate into opened MWNTs and adjacent reduction of the silver nitrate to silver. MWNTs could be functionalized in the form of MWNT/polymer-composites by an in situ-polymerisation of styrene and polyacrylontrile. These functionalized MWNTs were spin by adding them to polymer matrices: MWNT/polystyrene-composites were added to polyethylene terephtalate (PET) and spun by melt spinning. The MWNT/PS-composites showed a reduced tendency to form agglomerates compared to pure MWNTs. SEM pictures proofed that the MWNTs were oriented in the direction of the fibre axis despite of the polystyrene. However, the presence of MWNTs or MWNT/PS-composites caused an embrittlement of the PET fibres compared to a pure PET fibre because the MWNTs act as defects between the molecular chains of the PET. For MWNT/polyacrylonitrile-composite the matrix polymer was polyacrylonitrile (PAN). Fibres were produced by wet spinning. Also in thesed fibres the functionalized MWNTs were approximately oriented parallel to the fibre axis. The PAN fibres containing MWNT/PAN-composites were brittle but were found to have high Young’s moduli and could resist high tensile stress. Due to the high anisotropy of CNTs their three-dimensional orientation within the fibre has influence on the fibre properties. Therefore the orientation of the MWNTs was measured quantitatively. Especially concerning precursors for carbon fibres this can be essential to know: CNTs in PAN precursors are discussed as seed for the formation of the graphitic structure which is characteristic for carbon fibres. For this reason CNTs could serve as additives in precursors for carbon fibres. Hence investigations were carried out on PAN fibres containing very small amounts of MWNTs via polarized Raman spectroscopy. Because the intensity of the MWNTs in the PAN matrix was too low to be detected, the band of the nitrile group was investigated. In this way, it was possible to draw conclusions from the orientation of CNTs in the PAN fibre to the fibre properties. Mechanical fibre properties correlate with the degree of depolarisation. These mechanical properties have strong influence on the process management in the production of carbon fibres. In addition the influence of MWNTs on the oxidation and carbonization process was looked at in detail. The presence of MWNTs and especially metal-filled MWNTs had a positiv effect on the formation of the graphitic structure. These investigations revealed that CNTs show great promise for additives in PAN precursors for carbon fibres: The PAN fibre can be influenced in its mechanical properties by the three-dimensional orientation of the MWNTs within the fibre. The carbonization and formation of the graphitic structure respectively, can be controled by adding MWNTs or silver-filled MWNTs to the precursor material. Additional irradiation with accelerated electrons of the precursor before carbonization enlarges this effect. Considering these facts could enable to develop a simplified process management and optimized properties of carbon fibres.
File Format	PDF HTM / HTML
DOI	10.18419/opus-6750
Alternate Webpage(s)	http://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/6767/1/DISSERTATION_RCS.pdf
Alternate Webpage(s)	https://doi.org/10.18419/opus-6750
Language	English
Access Restriction	Open
Content Type	Text
Resource Type	Article