Elektrisch leitfähige Silicone mit niedriger Viskosität

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-411248
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.41124

Kirschner, Claudia

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 09 Dez 2020 07:46

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	9 Dezember 2020
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Hubert Motschmann
Tag der Prüfung:	26 November 2019
Institutionen:	Chemie und Pharmazie > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Lehrstuhl für Chemie IV - Physikalische Chemie (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Hubert Motschmann
Themenverbund:	Nicht ausgewählt
Stichwörter / Keywords:	Silicon, leitfähige Polymere, CNT, Graphen, anisotrope Füllstoffe Perkolationsschwelle, Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand, Dispergierung, AFM,
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	41124

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Zusammenfassung (Deutsch)

Zusammenfassung (Deutsch)

Leitfähige und hoch elastische Polymere besitzen für Sensoren, Elektroden und Hochspannungs-Anwendungen ein beträchtliches Potential. Bereits existierende Produkte bestehen aus Leitrußen, welche sehr hohe Viskositäten erzielen und dadurch schwer verarbeitet werden können. Ruße als isotrope Füllstoffe benötigen zum Überschreiten der Perkolationsschwelle einen hohen Partikelgehalt von mehr als 10 Gew.-% um ein durchgehendes leitfähiges Netzwerk zu bilden. Anisotrope Füllstoffe wie Carbon Nanotubes (CNT) oder Graphene erzielen höhere Leitfähigkeiten als Leitruße bei Konzentrationen von weniger als 1 Gew-%. Die Schwierigkeit bei der Herstellung von leitfähigen Siliconen mit CNT besteht in der homogenen Partikel-Dispergierung um ein durchgehendes Netzwerk zu erzielen. Die Dispergierung der CNT und Graphene ist in niedrig viskosen Silicon-Elastomeren mittels Scherenergie am Dissolver am effizientesten. Die Einführung von Dispergierpausen bei CNT ermöglicht dem Polymer auf die Röhren-Oberfläche zu diffundieren und die Agglomerate bei erneuter Scherbelastung leichter zu trennen ohne die Röhren abzubrechen. Mittels Dehnspannungskräfte, induziert durch Hochspannung, können noch höhere Leitfähigkeiten erreicht werden. Eine oft beschriebe Hoch-Energie-Dispergierung ist bei CNT nicht Ziel führend, da die Röhren ein hohes Aspekt-Verhältnis besitzen und dadurch leicht abbrechen können. Höhere Polymer-Viskosität oder niedrigere Mischtemperatur führen zur Zunahme der Scherenergie und dadurch zu höherer Leitfähigkeit.
Der Einsatz von verstärkendem Füllstoff, wie pyrogener Kieselsäure, erzielen gegenläufige Effekte auf die Leitfähigkeit. Eine höhere Matrix-Viskosität führt zu höherer Scherenergie und dadurch zu höherer Leitfähigkeit, jedoch stören zusätzliche Partikel das leitfähige Netzwerk und die Leitfähigkeit nimmt wiederum ab. Das Up-Skaling der Dissolver-Dispergierung am Vakuum-Planeten-Dissolver ist problemlos möglich. Leitfähige Polymere auf Füllstoff-Basis zeigen Kontaktwiderstände beim Übergang von Polymer auf Metall-Kontakte. Dieses Problem der hohen Kontaktwiderstände von CNT-gefüllten Silicon-Elastomeren ist mittels conductive AFM (C-AFM) zu visualisieren. Dabei ergeben nur Bereiche mit CNT direkt an der Silicon-Oberfläche eine Leitfähigkeit. Elektrisch leitfähige Silicone mit CNT erzielen höhere Leitfähigkeiten und niedrigere Viskositäten bei deutlich niedrigerem Füllgrad als Leitruße. Dadurch eignen sich diese Materialien für gedruckte Elektronik.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

Conductive and high elastic polymers have considerable potential in the fields of sensors, electrodes and high voltage applications. The products that are used today are characterized by their high viscosity, which makes the processability difficult. Existing conductive silicones contain carbon black as conductive fillers. These isotropic particles require high particle content (> 10 w%) to exceed the percolation threshold and achieve a conductive network. Anisotropic particles as Carbon Nanotubes (CNT) or Graphene process higher conductivity as carbon black and the percolation threshold is reached with noticeably lower concentrations (< 1 w%). The difficulty in the production of conductive silicones with CNT is the homogeneous particle dispersion to achieve a homogeneous network. The dispersion technology is based on high-speed stirrer low-cost production in comparison to multi-stage kneading processes. The dispersion contains two processes: 1) Separation of the agglomerated structures in single tubes and 2) the mechanical degradation of the CNTs. Process 1) leads to higher conductivity whereas the 2) achieves the opposite effect. The dispersion quality is influenced by the process parameters. During the parameter determination the positive effect of a mixing break was surprisingly found. This procedure leads to a significant higher conductivity than without the break. Induced strain leads to marginal lower conductivity where the decrease is reversible compared to carbon black. Conductive polymers on filler basis have the general problem of contact resistances at the transition from electrode to metallic conductor. This problem is visualized the first time by means of conductive AFM (C-AFM). Conductivity is only observed on positions where CNT are directly located on the polymer surface. As result, electrically conductive silicones with CNT achieve higher conductivity even by induced strain and lower viscosity by significant lower filler content. Therefore, this material allows printing of elastomeric electronics by drop-on-demand and screen printing.

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