Vielseitig und effizient: Das Potenzial von CNTs ist gewaltig!

BYK betreibt Grundlagenforschung im Bereich der Carbon Nanotubes (kurz: CNTs). Dr. Michael Berkei, Produktgruppen-Manager Nanotechnologie, im Gespräch über den neuen Werkstoff, dessen enormes Potenzial und die damit verbundenen Herausforderungen.  

Herr Dr. Berkei, Carbon Nanotubes (CNTs) wurden Anfang der 1990er-Jahre entdeckt. Sie sind immer noch relativ unerforscht. Können Sie uns erläutern, worum es sich hierbei handelt und welche besonderen Vorteile dieser Werkstoff verspricht?

Man kann sich CNTs – das sind winzige Kohlenstoffnanoröhrchen – als aufgerollte Graphitebenen vorstellen, sogenannte Graphen. Man unterscheidet zwischen einwandigen, doppelwandigen und mehrwandigen CNTs. Die Kohlenstoffe sind sp2-hybridisiert und zeichnen sich aufgrund ihrer delokalisierten π-Elektronen durch eine sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aus, ähnlich wie Metalle. Ihre hohe mechanische Festigkeit und gleichzeitig sehr geringe Dichte machen die Kohlenstoffnanoröhrchen zu einem einzigartigen Werkstoff.

Die besten Eigenschaften werden den einwandigen CNTs zugeschrieben. Allerdings ist deren Synthese noch immer sehr aufwendig und recht teuer. Die Industrie konzentriert sich daher vorwiegend auf die deutlich preiswerteren mehrwandigen Carbon Nanotubes.

Die gleichmäßige Verteilung der CNTs und ihre oft schwache Anbindung an die umgebende Matrix machen CNT-Anwendungen technisch recht schwierig. Wo genau liegen die Schwierigkeiten?

Der Herstellungsprozess bringt es mit sich, dass Carbon Nanotubes meist in pulvriger Form als stark verwobene Agglomerate vorliegen. Dieses Phänomen wird durch das sehr hohe Seitenverhältnis von bis zu 1.000 noch verstärkt. Um die besonderen Eigenschaften von CNTs bestmöglich nutzen zu können, sollten sie so homogen wie möglich in der Matrix dispergiert sein. Kommt es auf eine gute thermische oder elektrische Leitfähigkeit an, sollte auf gute Netzbildung geachtet werden: Sie ist für die Durchflusseigenschaften wichtig. Werden CNTs zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit eingesetzt, ist eine gute Anbindung an die Matrix wünschenswert – so, wie das heute mit anderen Füllstoffen praktiziert wird.

An welcher Stelle kommt das Know-how von BYK ins Spiel? Warum betreibt BYK Grundlagenforschung im Bereich der CNTs?

Es sind spezielle Netz- und Dispergieradditive erforderlich, damit sich die Carbon Nanotubes so fein wie möglich verteilen, während das Seitenverhältnis gleichzeitig möglichst groß bleibt. Diese Additive sind auf die Oberflächenchemie der Kohlenstoffnanoröhrchen abgestimmt und ermöglichen somit eine homogene Verteilung in den entsprechenden Matrizes. In vielen Fällen kann eine Anbindung der Carbon Nanotubes an die umgebende Matrix erreicht werden. Dies wirkt sich günstig auf die mechanischen Eigenschaften aus. Würde man für den Dispersionsvorgang lediglich hohe Scherkräfte einsetzen, könnte man die CNT-Agglomerate sicherlich dispergieren – allerdings auf Kosten der Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen. Damit ginge ein Verlust der besonderen Eigenschaften einher, die sich von dem hohen Seitenverhältnis ableiten.
BYK sieht für verschiedene Anwendungen großes Potenzial in Carbon Nanotubes. Daher haben wir es uns zur Aufgabe gemacht, Netz- und Dispergieradditive speziell für CNTs zu entwickeln und auf diese Weise das Maximale aus diesem Werkstoff herauszuholen.