Ziel der Entwicklung

Durch die Nachfrage nach immer leichteren und flexibleren Materialien in vielen Bereichen werden leitfähige metallische Strukturen durch leitfähige Polymere oder Hybridmaterialien ersetzt. Aufgrund der geringeren Dichte von Polymeren im Vergleich zu Metallen eignen sich leitfähige Polymere, um stromführende metallische Komponenten in Leichtbauanwendungen sowie Wearables zu substituieren. Aufgrund ihrer gleichbleibend hohen Flexibilität über einen weiten Temperaturbereich sowie der im Vergleich zu organischen Polymeren deutlich höheren Temperaturbeständigkeit von bis zu 250 Grad Celsius sind Silikonpolymere für derartige Anwendungen prädestiniert. Daraus ergab sich die Zielstellung des Forschungs und Entwicklungsvorhabens, einen scherungsarmen Verarbeitungsprozesses zu entwickeln, der es ermöglicht, Carbonnanopartikel mit hohem Aspektverhältnis zerstörungsfrei und ohne Lösemittelzusatz in Silikonmassen einzuarbeiten, um daraus im Kalanderverfahren elastische, elektrisch leitfähige Folien mit hohen Schichtdicken herzustellen. Zu dessen Realisierung wurden anstelle der für den Kalandrierprozess üblichen Festsilikone Flüssigsilikone verwendet. Die Einarbeitung der Carbonnanopartikel, vorzugsweise multi walled Carbonnanotubes, in die niedrigviskosen Liquid Silikon Rubber durch Kalandrieren bewirkt eine drastische Erhöhung der Viskosität, sodass hochviskose Massen mit einer schmelzeähnlichen Rheologie resultieren, die auf einem Kalander zu Folien verarbeitbar sind. Es wurde erwartet, dass die nach der Vulkanisation vorliegenden Folien aufgrund des intakten Netzwerkes der Carbonnanopartikel in der Silikonmatrix bereits bei geringen Partikelanteilen von kleiner als fünf Meter pro Prozent eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Vorteile und Lösungen

Zur Realisierung der Ziele wurden anstelle der für den Kalanderprozess üblichen Festsilikone Flüssigsilikone verwendet. Die Einarbeitung der Carbonnanopartikel, vorzugsweise multi-walled Carbonnanotubes , in die niedrigviskosen Liquid Silikon Rubber durch Kalandrieren bewirkt eine drastische Erhöhung der Viskosität, sodass hochviskose Massen mit einer schmelzeähnlichen Rheologie resultieren, die auf einem Kalander zu Folien verarbeitbar sein sollten. Die Entwicklung wurde in drei Schwerpunkten bearbeitet. Als erstes die Entwicklung von Kohlenstoffnanoröhren haltigen Liquid Silikon Rubber Silikonrezepturen, die für die Verarbeitung zu Folien am Kalander geeignet sind. Als zweites die Entwicklung geeigneter Prozessparameter für die Herstellung von Kalanderfolien aus den Kohlenstoffnanoröhren haltigen Liquid Silikon Rubber Silikonmassen. Als drittes die Charakterisierung der Erzeugnisse hinsichtlich der elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Es wurden Grundrezepturen erarbeitet, rheologisch charakterisiert und aus ausgewählten Massen im labortechnischen Maßstab Folien hergestellt. Deren elektrische Leitfähigkeit wurde untersucht sowie die mechanischen Eigenschaften. Es hat sich herausgestellt, dass die Grundrezeptur nicht den Anforderungen an die Viskosität für die weitere Verarbeitung am Kalander entsprach. Deshalb wurden weitere Optimierungsschritte der Grundrezeptur vorgenommen, durch die die rheologischen Eigenschaften der Masse erheblich verbessert werden konnten. Es hat sich auch herausgestellt, dass mithilfe einer Knetkammer höhere Gehalte an Kohlenstoffnanoröhren sowie Kieselsäure verarbeitbar sind, ohne dabei die empfindliche Struktur der Carbonnanotubes zu zerstören. Es wurde eine optimale Rezeptur entwickelt sowie eine Aufbereitungs- und Verarbeitungsprozedur, die es ermöglichten, hochleitfähige Silikonbeschichtungen sowie Folien im Kalanderverfahren herzustellen. Eine kontinuierliche Prozessführung ist möglich. Es ist gelungen, leitfähige Silikonfolien mit hoher Dicke größer als 200 Mikrometern herzustellen, die im bisher üblichen Streichverfahren nicht realisierbar sind. Die Leitfähigkeit beziehungsweise die Leistung dieser Folien ist so hoch, dass sie zum Beispiel für Heizanwendungen geeignet sind.

Zielgruppe und Zielmarkt

Aufgrund der positiven Projektergebnisse kann der Verwertungsplan wie im Antrag beschrieben, verfolgt werden. Flexible elektrisch leitfähige Flächenmaterialien werden im deutschen beziehungsweise europäischen Maßstab nicht als eigenständiges Marktsegment erfasst. Als Transferunternehmen für das im Rahmen des Forschungs-und Entwicklungsvorhabens etablierte Verfahren kommen in erster Linie Elastomerverarbeiter, die bereits über die notwendige Anlagentechnik verfügen, in Frage. Die bereits vorhandenen technologischen Voraussetzungen ermöglichen einen schnellen Transfer der Ergebnisse. Die Chancen für die Überführung des zu entwickelnden Prozesses zur Erzeugung leitfähiger Silikonbahnen mit Schichtdickengrößer als 200 Mikrometern werden als hoch eingeschätzt. Die Möglichkeit zur Fertigung dicker leitfähiger Silikonschichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist Voraussetzung für die Realisierung von Materialien mit einer hohen Heizleistung. Derartige innovative Hybridschichten ermöglichen neuartige Lösungen für zukunftsorientierte Fertigungsverfahren, zu denen unter anderem individualisierbare Prozesse wie zum Beispiel adaptives Moulding zählen. Außerdem gewichtsreduzierte, funktionale Hybridmaterialien für den Mobilbereich beispielsweise temperierbare Interieurmaterialien, Temperierung von Bauteilen oder Systemkomponenten. Ebenso Spezialprodukte im Medizinprodukte- und Consumer Healthcare-Bereich.