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Elektrische und rheologische Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Füllstoffnetzwerken in Polymeren

Hilarius, Konrad :
Elektrische und rheologische Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Füllstoffnetzwerken in Polymeren.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4292]
TU Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2014)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4292

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der Arbeit wurden die elektrischen und rheologischen Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Füllstoffen in einer Polymermatrix untersucht. Als Füllstoffe wurden verschiedene Kohlenstoffallotrope verwendet, die sich in ihrer Ausdehnung und Geometrie unterscheiden: kugelförmige Ruße (CB), stäbchenförmige Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und plättchenförmige Graphennanoplättchen (GNP), sowie deren Kombinationen. Die Morphologie des Füllstoffnetzwerks, das sich in Abhängigkeit der thermischen und rheologischen Vorgeschichte aufbaut, wurde durch Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Die komplexe elektrische Leitfähigkeit im Glaszustand der Komposite wurde mittels elektrischer Leitfähigkeitsspektroskopie untersucht. Es wird gezeigt, dass die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Füllstoffkonzentration für alle Füllstoffsysteme mit der Perkolationstheorie erklärt und angepasst werden kann. Die unterschiedliche Geometrie der Füllstoffe beeinflusst dabei maßgeblich die kritische Perkolationskonzentration.

Der zeitaufgelöste Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität der Füllstoffsysteme wird mit einer rheoelektrischen Messapparatur in der ruhenden Schmelze und während definierter Scherdeformation untersucht. Es wird gezeigt, dass sich die Zeitabhängigkeit der elektrischen und rheologischen Eigenschaften der Füllstoffsysteme mit dem Agglomerationsmodell erklären lassen. Während kontinuierlicher Scherung und in der ruhenden Schmelze stellen sich stationäre Werte der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität ein. Diese werden verwendet um die verschiedenen Füllstoffsysteme untereinander zu vergleichen und theoretische Vorhersagen zu den Eigenschaften von kombinierten Füllstoffsystemen zu validieren. Speziell bei GNP-Kompositen wurde durch Modifizierung des Messaufbaus eine Anisotropie der Leitfähigkeit festgestellt, die auf eine Orientierung der Plättchen im Präparationsprozess zurückzuführen ist. Diese wurde mittels Röntgenkleinwinkelstreuung bestätigt.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2014
Autor(en): Hilarius, Konrad
Titel: Elektrische und rheologische Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Füllstoffnetzwerken in Polymeren
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

In der Arbeit wurden die elektrischen und rheologischen Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Füllstoffen in einer Polymermatrix untersucht. Als Füllstoffe wurden verschiedene Kohlenstoffallotrope verwendet, die sich in ihrer Ausdehnung und Geometrie unterscheiden: kugelförmige Ruße (CB), stäbchenförmige Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und plättchenförmige Graphennanoplättchen (GNP), sowie deren Kombinationen. Die Morphologie des Füllstoffnetzwerks, das sich in Abhängigkeit der thermischen und rheologischen Vorgeschichte aufbaut, wurde durch Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Die komplexe elektrische Leitfähigkeit im Glaszustand der Komposite wurde mittels elektrischer Leitfähigkeitsspektroskopie untersucht. Es wird gezeigt, dass die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Füllstoffkonzentration für alle Füllstoffsysteme mit der Perkolationstheorie erklärt und angepasst werden kann. Die unterschiedliche Geometrie der Füllstoffe beeinflusst dabei maßgeblich die kritische Perkolationskonzentration.

Der zeitaufgelöste Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität der Füllstoffsysteme wird mit einer rheoelektrischen Messapparatur in der ruhenden Schmelze und während definierter Scherdeformation untersucht. Es wird gezeigt, dass sich die Zeitabhängigkeit der elektrischen und rheologischen Eigenschaften der Füllstoffsysteme mit dem Agglomerationsmodell erklären lassen. Während kontinuierlicher Scherung und in der ruhenden Schmelze stellen sich stationäre Werte der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität ein. Diese werden verwendet um die verschiedenen Füllstoffsysteme untereinander zu vergleichen und theoretische Vorhersagen zu den Eigenschaften von kombinierten Füllstoffsystemen zu validieren. Speziell bei GNP-Kompositen wurde durch Modifizierung des Messaufbaus eine Anisotropie der Leitfähigkeit festgestellt, die auf eine Orientierung der Plättchen im Präparationsprozess zurückzuführen ist. Diese wurde mittels Röntgenkleinwinkelstreuung bestätigt.

Ort: Darmstadt
Freie Schlagworte: Polymere, Nanokomposite, elektrische Leitfähigkeit, Rheologie, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphennanoplättchen, Ruß
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik > Experimentelle Physik kondensierter Materie
Hinterlegungsdatum: 14 Dez 2014 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4292
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42923
Referenten: Alig, Priv.-Doz. Ingo ; Stühn, Prof. Dr. Bernd
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 November 2014
Schlagworte in weiteren Sprachen:
Einzelne SchlagworteSprache
Polymers, nanocomposites, electrical conductivity, rheology, carbon nanotubes, graphennanoplatelets, carbon blackEnglisch
Alternatives Abstract:
Alternativer AbstractSprache
In this study the electrical and rheological properties of carbon based filler networks in a polymer matrix were investigated. As fillers carbon allotropes with different geometries were used: spherical carbon black (CB), rod-shaped carbon nanotubes (CNT) and disks-shaped graphene nanoplatelets (GNP) and combinations thereof. The morphology of the filler network, which is formed dependent on the thermal and rheological history, was analysed by transmission and scanning electron microscopy. The complex conductivity of the composites was measured by dielectric spectroscopy. It is shown, that the dependence of the conductivity on the filler concentration can be explained by the percolation theory and that the different filler geometries have an influence on the percolation concentration. By the use of a rheoelectrical method the time dependent electrical conductivity and viscosity were measured in the quiescent polymer melt and during steady shear deformation. It is shown, that the time dependence of the electrical properties of the filler systems can be explained by the agglomeration model. During steady shear and in the quiescent melt stationary values of the conductivity and viscosity were achieved. Their values were used to compare the different filler systems und to validate theoretical predictions. Trough modification of the rheoelectrical method an anisotropic conductivity of GNP composites was found. It could be related to the orientation of the filler particles through the preparation process. This was verified by small angle x-ray scattering. Englisch
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