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Carbon Nanotubes (CNT) als Additiv für Gummi Die Anwendungen von Nanomaterialien versprechen für viele Industriezweige Vorteile. Auch die Kautschukindustrie kann davon in Form von Additiven für Gummimischungen profitieren. Ein Hindernis ist das Handling und die Verarbeitung der Carbon Nanotubes. Die Nano-Röhrchen liegen nach der Produktion als Rohstoff nicht vereinzelt vor, sondern als Agglomerate was die gleichmäßige Verteilung in der Mischung stört. Demzufolge wird eine industrielle Lösung benötigt, um die Pulver zu dispergieren und in gebundener Form anzubieten. Dr. Benjamin Bechem von der Lanxess Business Unit Rhein Chemie Additives erklärt die Vorteile und Anwendbarkeit für die Praxis.
Carbon Nanotubes oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) weisen außergewöhnliche physikalische Eigenschaften wie eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit bei enormer Festigkeit der einzelnen Nanoröhrchen auf. Die Herausforderung des Einsatzes dieses innovativen Rohstoffes in industriellen Produkten liegt in der Übertragung der Eigenschaften einer einzelnen Nanoröhre auf einen makroskopischen Kompositwerkstoff. Dabei kommt es hier im Besonderen auf die schonende Dispergierung der Agglomerate von ineinander verknäulten Nanoröhrchen und deren gleichmäßige Verteilung an. Als Spezialist für hochdispergierbare Kautschukadditive entwickelte die Lanxess BU Rhein Chemie Additives daher ein sicheres Verfahren zur Herstellung von lösemittelbasierten CNT-Dispersionen, die für den Einsatz in Elastomeren geeignet sind. Diese können als Additive zum Beispiel für extrem beanspruchte Sicherheitsbauteile mit antistatischen und/oder Wärmeleit-Eigenschaften eingesetzt werden. In der Entwicklung beteiligte sich das Unternehmen einer vom BMBF geförderten Initiative Innovationsallianz Carbon Nanotubes mit ca. 80 industriellen und wissenschaftlichen Partnern.

Nachgehakt: Interview mit Dr. Benjamin Bechem,
Marketing Manager New Technologies bei der Lanxess Business Unit Rhein Chemie Additives

KGK Rhein Chemie hat sich 2009 an der Innovationsallianz Carbon Nanotubes beteiligt. Was war damals die Motivation und wie konnten Sie als Rhein Chemie nach drei Jahren Forschungsaktivität davon profitieren?

Bechem Die vom BMBF geförderte Innovationsallianz Inno.cnt hatte u.a. zum Ziel, Möglichkeiten der sicheren Verarbeitung und potenzielle Anwendungen für das inzwischen kommerziell verfügbare Material, Carbon Nanotubes, zu erarbeiten. Für Rhein Chemie bestand der ursprüngliche Reiz darin, unser Portfolio der polymergebundenen Chemikalien um einen vielversprechenden Kandidaten zu erweitern. Deshalb haben wir innerhalb der Innovationsallianz an den Teilprojekten Carbo Dis und Carbo Elast mit verschiedenen Partnern teilgenommen, die sich eben mit der Vereinzelung von Carbon Nanotubes unter anderem für Elastomere und deren Einarbeitung in Kautschuk beschäftigen. Hierbei haben wir vor allem bemerkt, dass die Art der Dispergierung von CNTs eine zentrale Rolle für die spätere Anwendung spielt.

KGK Können Sie kurz schildern, welche Vorteile und Chancen in nanoskaligen Additiven liegen?

Bechem Carbon Nanotubes kann man sich vorstellen als eine an zwei gegenüberliegenden Kanten zusammengefügte Fläche aus Graphen, so dass eine Röhre entsteht. Das Material besteht ausschließlich aus sp2-hybridisiertem Kohlenstoff und dies in Kombination mit einem hohen Aspekt der CNTs, also das Verhältnis von Länge der Röhren zum Durchmesser. Aufgrund dieser einzigartigen Morphologie bieten Carbon Nanotubes eine hohe elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit sowie enormes mechanisches Verstärkungspotential in Elastomeren. Daher kann bei Einsatz von CNTs der Füllstoffanteil insgesamt ohne Verlust an Verstärkung des Elastomers signifikant reduziert werden. Gleichzeitig verringern sich die negativen Auswirkungen eines hohen Füllstoffanteils, insbesondere auf die Elastizität. Das Material bietet beim Compounding die Möglichkeit zur Lösung von Zielkonflikten und das bei gleichzeitiger Reduzierung des Gewichts eines Bauteils.

KGK Weil es technisch und arbeitschutzrechtlich nicht einfach ist, mit Nanopartikeln zu arbeiten, bieten Sie wasserbasierte Dispersionen an. Können Sie erläutern, wo Sie Ihre Rohstoffe beziehen?

Bechem Wir haben während oben erwähnter Projektphase gelernt, dass CNTs unterschiedlicher Hersteller sehr verschieden sind und jeweils sehr viel Know-how erfordern, um eine gute Dispersion herzustellen. Des Weiteren sind CNTs unterschiedlicher Hersteller verschieden in ihrer Performance in der anwendungstechnischen Untersuchung. Deshalb arbeiten wir nicht nur mit einem CNT-Lieferanten zusammen, sondern möchten unseren Kunden die Möglichkeit bieten, mit verschiedenen CNT-Typen von unterschiedlichen Herstellern zu arbeiten.

KGK Können Sie erläutern wie Sie die CNT-Dispersionen herstellen und welche Vorteile der Anwender damit hat?

Bechem Innerhalb des Projektes Carbo Elast der Innovationsallianz wurden verschiedenste Dispergiertechniken vom damaligen Projektleiter Dr. A. Schröder untersucht. Wir haben uns im Anschluss auf die Ultraschalldispergierung reduziert, da wir hiermit eine sehr schonende Methode haben, die es erlaubt auf industriellem Maßstab zu produzieren.
Unseren Kunden bieten wir mittels der Ultraschalldispergierung maximale Flexibilität in Bezug auf Rezeptur bzw. Qualität der CNT-Dispersion. Hinzu kommt, dass wir aufgrund unseres global aufgestellten Unternehmens in der Lage sind, die Dispersionen in der Region zu produzieren, wo sie benötigt werden. CNT-Dispersionen lassen sich nur in geringer Konzentration herstellen. Für einen attraktiven Preis müssen daher die Transportkosten so weit wie möglich reduziert werden.
Anwender von CNT-Dispersionen profitieren also von unserer globalen Infrastruktur, indem sie konstante Qualität von unterschiedlichen Standorten abrufen können.

KGK In der Forschung zu Nanopartikeln werden schnell große Fortschritte erzielt. Zuletzt hörte man von sogenannten Kohlenstoffhörnchen, die sich sicher noch besser dispergieren lassen. Ist es denkbar für Sie diese oder auch andere C-Anordnungen in den Vormischungen einzusetzen?

Bechem Wir limitieren unser Anwendungsfeld nicht auf Carbon Nanotubes, sondern auf Carbon Nanomaterials. Derzeit fokussieren wir uns zwar auf unterschiedliche Carbon Nanotubes, streben aber in Zukunft eine Diversifizierung der Carbon-haltigen Materialen an, zum Beispiel Graphen. Zudem beteiligte sich die Rhein Chemie auch am BMBF-Projekt Magnano. In diesem Projekt wurden unter anderem nanoskalige ferromagnetische Füllstoffe zum Einsatz in schaltbaren Elastomeren untersucht.

KGK Für welche Elastomere und Anwendungen sind Ihre „vordispergierten Additive“ geeignet? Gibt es bereits Anwendungsbeispiele und wo sehen Sie das größte Marktpotenzial?

Bechem Derzeit liegt unser Fokus auf wasserbasierten Systemen. Deshalb sind grundsätzlich alle Polymertypen denkbar, die mittels Emulsionspolymerisation hergestellt werden. Der Latex kann dann direkt mit der CNT-Dispersion gemischt und gefällt werden. Die potenziellen Anwendungen sind hierbei so vielseitig wie das Polymer selbst. Im Allgemeinen reduzieren wir die mögliche Anwendbarkeit nicht auf den Polymerbereich, sprich funktionelle Kompositmaterialien, sondern sind auch am Einsatz im Energie-, Bau- und Farbbereich interessiert.

KGK Was muss ein Verarbeiter besonders bei der Anwendung beachten?

Bechem Für die Verwendung unserer wässrigen Dispersionen sind in der Regel keine speziellen Schutzmaßnahmen zu treffen, da die Materialien dann gebunden vorliegen.

KGK Worin liegen Ihrer Ansicht nach die größten Hürden für den Einsatz und wie lassen sich diese überwinden?

Bechem Wir haben bei den Gesprächen mit potenziellen Kunden immer wieder beobachtet, dass pulverförmige CNTs in der Vergangenheit bereits eingesetzt wurden, aber die Ergebnisse weit hinter den Erwartungen zurückblieben. Da die CNTs bei der Produktion als Agglomerate anfallen und zunächst vereinzelt werden müssen, ist für den erfolgreichen Einsatz von CNTs eine vorgeschaltete, schonende Dispergierung unerlässlich. Hier liegt es an uns, den Kunden davon zu überzeugen, dass dieser Extra-Schritt, angepasst an die Anforderungen für die Anwendung, einen Mehrwert generiert. Um das zu realisieren präsentieren wir unsere Ergebnisse zu dieser Thematik, wie zuletzt auf der KHK in Hannover, und suchen das intensive Gespräch mit unseren Kunden.

KGK Wie regeln Sie betriebsintern den Umgang mit pulverförmigen Nanomaterialien?

Bechem Bei der Herstellung der CNT-Dispersionen halten wir uns strikt an die Leitfäden des Verbands der Chemischen Industrie sowie der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, um einen sicheren Umgang mit Nanomaterialien am Arbeitsplatz zu gewährleisten. Bei unserem betriebsinternen Umgang zur Herstellung der CNT Dispersionen arbeiten wir selbstverständlich mit höchsten Sicherheitsstandards bei der Handhabung des dann noch staubförmigen Materials.

Abstract – CNTs as an additive for rubber
Carbon nanotubes (CNT) display extraordinary physical properties, such as very high electrical and thermal conductivity combined with the immense strength of the individual nanotubes. The challenge involved in using this innovative raw material in industrial products is to transfer the properties of the individual nanotubes to a macroscopic composite material, the most critical factors being the careful dispersion of the “tangled” nanotube agglomerates and their uniform distribution in a rubber matrix. As a specialist for highly dispersible, polymer-bound rubber additives, Lanxess BU Rhein Chemie Additves therefore is developing safe processes for manufacturing CNT masterbatches for elastomers that can be used as additives, for example to make heavily stressed safety components with antistatic and/or heat-conducting properties. The company cooperates with Inno.CNT, an initiative of 80 partners in industry and science funded by the German Federal Ministry of Education and Research. Rhenogran is the brand name of the pre-dispersed, polymer-bound rubber additives.

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert, Redaktion KGK