Reich der Zwerge

Carbon Nanotubes - Lange schon gilt Nanotechnologie als Schlüsselverfahren des 21. Jahrhunderts. Besonders die Entwicklung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist für die Materialwissenschaftler eine besondere Herausforderung.

21. Juli 2006

Viele, oft längst bekannte Werkstoffe gewinnen durch Nanopartikel oder nanotechnologische Modifizierungen völlig neue Eigenschaften. Was dem Designer und Produktentwickler natürlich neue Freiheiten beim Arbeiten gibt. Die Bayer MaterialScience AG beispielsweise, nutzt die Nanotechnologie, um Produkte und Verfahren für die Bereiche hochwertige Materialien, Gesundheit und Ernährung noch leistungsfähiger zu machen. Jüngstes Entwicklungs-Highlight ist ein neues Verfahren, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen den Weg in große industrielle Anwendungen ebnen könnte.

Rein, leicht und extrem fest

Bisher verhinderten störende Verunreinigungen und die hohen Synthesekosten von oft mehr als 1.000 Euro pro Kilogramm den breiten Einsatz der auch Carbon Nanotubes oder kurz CNTs genannten Partikel. Mit dem neuen kontinuierlichen Verfahren ist es möglich, CNTs deutlich preiswerter als bisher in konstanten Reinheiten von über 99 Prozent herzustellen. CNTs zeigen ein sehr vielseitiges Eigenschaftsprofil. So sind sie je nach molekularem Aufbau Halbleiter oder ein besserer Stromleiter als Kupfer. Sie bringen nur rund ein Sechstel des Gewichtes von Stahl auf die Waage, können aber mechanischen Spannungen 60 Mal besser widerstehen. Sie sind hitzeunempfindlich und ein besserer Wärmeleiter als Diamant. Das Anwendungspotenzial von Carbon Nanotubes ist groß. Aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit könnten sie zum Beispiel als Elektrodenmaterial für neuartige Feldemissionsdisplays (FED) dienen. In Verpackungsfolien aus Kunststoff würden sie verhindern, dass empfindliche Elektronikbauteile durch elektrostatische Aufladungen Schaden nehmen. Spezielle oxidische Nanopartikel haben die Eigenschaft, Kunststoffe flammwidriger zu machen. Bayer MaterialScience nutzt diesen Effekt bereits in den Flammschutzpaketen einer neuen Generation der Polycarbonat/ABS-Blends Bayblend FR (flame retardant). Die Wirkung der Nanopartikel besteht darin, dass sie im Brandfall an der Oberfläche des Kunststoffs die Bildung von Kohlenstoff-Ablagerungen fördern. Die Flammen breiten sich dadurch nicht so schnell aus. Potenzielle Anwendungen sind Gehäusekomponenten für Haushaltsgeräte und die Datentechnik.

Die Kunststoff-Ingenieure und Werkstoffwissenschaftler aus Leverkusen leisten dazu Unterstützung von der Konzeption entsprechender Bauteile, über den Werkzeugbau bis hin zum Produktionsstart. Ein Fokus ist dabei die werkstoffgerechte Konstruktion mit allen daran gekoppelten Simulations- und Prüfverfahren. Dazu zählen verschiedenste CAE-Tools, etwa zur Analyse der statischen Belastbarkeit eines Bauteils oder seiner thermischen Ausdehnung. Weiterhin werden für den Kunden rheologische Untersuchungen wie etwa Mold Flow-Berechnungen durchgeführt, um ein optimales Angusskonzept zu ermitteln und eine gleichmäßige Werkzeugfüllung zu erreichen.

Kompetente Hilfe zur Prüfung

Auch Technik, wie etwa komplette Anlagen für die Kunststoffverarbeitung, zum Beispiel durch Spritzguss, Extrusion und Schäumen, stehen für den Kunden bereit. Auf ihnen können beispielsweise Werkzeuge optimiert oder Bauteil-Prototypen gefertigt werden. Prüftechnische Fragen bearbeitet das akkreditierte Thermoplastics Testing Center (TTC). Sein Angebot umfasst neben rund 200 verschiedenen Prüfungen für Kunststoffe auch das Herstellen von Norm-Prüfkörpern. Bayer bietet so auf dem Gebiet der Nanotechnologie ein umfangreiches Technologiepaket, das von der Synthese, Isolierung und Reinigung von Nanomaterialien über deren Charakterisierung, Modifizierung und Verarbeitung bis hin zur Anwendungsentwicklung reicht. So verfügt die Servicegesellschaft über eine neuartige Mikroreaktionstechnik, mit der Mikro- und Nanopartikel kontinuierlich mit enger Teilchengrößenverteilung aus Lösungen gefällt werden können. Zur spektroskopischen und mikroskopischen Analyse von Oberflächen und Grenzflächen und zur Partikelcharakterisierung zum Beispiel. In puncto Anzahl-, Massen- und Porengrößenverteilungen steht ein umfangreiches Equipment bereit. Für die Mikroskopie und Spektroskopie im Nanometer-Bereich werden unter anderem Transmissionselektronenmikroskope und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer eingesetzt. Außerdem wurden spezielle Methoden erarbeitet, mit denen nanopartikuläre Systeme unter definierten Bedingungen dispergiert oder kolloidal in Lösung gebracht werden können.

Die Verbesserung der Lager- und Langzeitstabilität sowie die gezielte Steuerung des Agglomerationsverhaltens solcher Systeme sind ebenso wie die Entwicklung nanopartikulärer Katalysatoren weitere wichtige Arbeitsgebiete. Nicht zuletzt spielt die Modifikation nanostrukturierter Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen eine entscheidende Rolle. So hat Bayer Technology Services bereits verschiedene Syntheserouten erarbeitet, mit denen Kohlenstoff-Nanoröhren funktionalisiert und chemisch an bestimmte Matrices gebunden werden können.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006