Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.3483
Title: Smart dispersion of carbon nanoparticle epoxy composites: from nano to application
Language: English
Authors: Voormann, Hauke 
Editor: Fiedler, Bodo  
Keywords: Nanocomposites;Rheology;Dispersion;Three Roll Mill;Fracture Toughness;Optical Coherence Tomography
Issue Date: 27-Apr-2021
Examination Date: 29-Oct-2020
Source: Technisch-wissenschaftliche Schriftenreihe / TUHH Polymer Composites 39: (2020)
Part of Series: Technisch-wissenschaftliche Schriftenreihe / TUHH Polymer Composites 
Volume number: 39
Abstract (german): 
Die Einarbeitung von Kohlenstoffnanopartikeln in Hochleistungskomposite auf Polymerbasis verspricht ein hohes Potential zur Verbesserung ihrer physikalischen Eigenschaften. Für die gezielte Anpassung der gewünschten Eigenschaften ist die Einstellung des Dispersionszustandes der wichtigste Faktor. Die Vielfalt der an in industriellen Mengen zur Verfügung stehenden Nanopartikeln ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Diese sind vor Allem: Ruße (CB), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT), einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) und Graphene. Auch der Bedarf an nanomodifizierten Produkten hat stark zugenommen. Den Engpass in der Wertschöpfungskette stellt hierbei die Einarbeitung dieser Partikel in das Polymer, zur Produktion von Nano-Intermediates, dar. Stand der Technik ist die Verwendung eines Dreiwalzwerkprozesses (TRM) zur Dispersion von Kohlenstoffnanopartikeln in flüssige Polymere, wie Hochleistungsepoxidharze (EP). Dieser ist jedoch zeitaufwändig und wenig automatisiert. Die Handhabung des Materials erfolgt zu großem Anteil manuell. Ziel dieser Arbeit ist die Aufweitung des Engpasses zur Realisierung eines kosteneffizienten Dispergierprozesses mittels einer in-line Qualitätskontrolle zur zukünftigen industiellen Applikation.
In einem ersten Schritt werden die Morphologie, spezifische Oberfläche und elementare Zusammensetzung der verwendeten Nanopartikel charakterisiert. Die rheologische Charakterisierung der Epoxidharze mit verschiedenen Molekulargewichten bildet die Basis für weitere Untersuchungen. Die rheo-elektrischen Untersuchungen zeigten, dass die Dehnungsamplitude, und nicht wie bisher angenommen die Scherrate, die Hauptursächlichkeit für die Separation der Partikel während des Dispersionsprozesses ist. Die Verwendung der optischen Koheränztomographie (OCT) erlaubte die direkte Evaluation der Partikelgrößenverteilung zwischen den einzelnen Dispergierschritten. Weiterhin zeigte die Anwendung der Impedanzspektroskopie zur Charakterisierung des Verhaltens der komplexen Impedanz, in Abhängigkeit der Frequenz, die Ausbildung des Partikelnetzwerkes auf Makro- wie auch auf Mikroebene. Die neue Generation der Dreiwalzwerke ist mit einer Technologie ausgestattet, die es ermöglicht die auftretenden Kräfte zwischen denWalzen während des Dispergiervorgangs aufzuzeichnen. Die Analyse der Linienkräfte lässt eine Beurteilung der Homogenität der Dispersion zu.
Die Kombination dieser in-line Methoden zur Qualitätskontrolle führte zu einer Prozesszeitreduktion von 70 %, validiert anhand einer Produktion eines typischen Demonstratormasterbatches. Die Evaluation des Einflusses des Partikeltyps, Füllstoffgehalts und des verwendeten Epoxidharzes auf die Viskosität während der Verarbeitung und der resultierenden thermo-mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie der Bruchzähigkeit in Mode I und II demonstrierte das Potential für industrielle Anwendungen. Die verwendeten SWCNT führten zur höchsten Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit und Bruchzähigkeit ohne dabei die Viskosität zu erhöhen. Für diese Verbesserung ist ein sehr geringer Füllstoffgehalt von nur 0,01 wt.% notwendig. Dies erlaubte die Herstellung eines signalfarbigen Glasfaserverbundwerkstoffes (GFRP) mit antistatischen Eigenschaften. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen zusammenfassend eine zukünftige effiziente Herstellung von Nano-Intermediates mit kontrollierbarer Dispersionsqualität.
Abstract (english): 
Incorporation of carbon nanoparticles in high performance polymer composites promises extensive potential for enhancement of their physical properties. Here the dispersion of the particles is the crucial factor. Only a defined dispersion results in the desired adjustment of properties. On the one hand, the market offers a high variety of industrially available carbon based nanoparticles. These are: Carbon blacks (CB), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphenes. On the other hand, the demand for nano-enabled products is given. Unfortunately, the bottleneck lies within the incorporation of these particles into the polymer, namely the carbon intermediate production. A commonly used effective technique for the dispersion of carbon-based nanoparticles into high performance epoxy resins (EP), in their liquid state, is the three roll milling (TRM) process. However, it is time consuming and requires a lot of manual handling of the material. In-line analysis enables the expansion of the technological bottleneck and leads to a cost-efficient and quality-controlled dispersion process for the future industrial application.
In a first step, the carbon nanoparticles were characterized regarding their geometry, specific surface area and elementary composition. Rheological characterization of the different molecular weight epoxy resins built a starting point for further investigations. Rheo-electrical characterization of the nanocomposites revealed the applied strain amplitude as predominant driving force for dispersion and not the shear rate. Optical coherence tomography (OCT) allowed the direct evaluation of the particle size distribution over the dispersion process. Analysis of the dependency of the complex impedance on the frequency via impedance spectroscopy revealed the network formation on macro and even on micro scale. Next generation three roll mills are enabled to monitor occurring process forces. The analysis of the line forces during processing allows an assessment of the homogeneity of dispersion.
The combination of these in-line quality-monitoring methods enables a process time reduction of 70 % for a demonstrator masterbatch production of typical batch size. The evaluated impact of the particle type, filler loading and epoxy resin on the viscosity during processing and the resulting thermo-mechanical, electrical and fracture behavior (mode I and II) revealed the potential for industrial applications. Here, SWCNT showed the best property enhancement regarding the electrical conductivity and fracture toughness without increase of viscosity at ultra-low filler loading of 0.01 wt.%. This allowed the manufacturing of a bright colored glass fiber reinforced polymer (GFRP) with antistatic discharge protection. Subsequently, the presented results enable the manufacturing of nano-intermediates in an efficient way with controllable dispersion quality.
URI: http://hdl.handle.net/11420/9387
DOI: 10.15480/882.3483
ISSN: 2625-6029
Institute: Kunststoffe und Verbundwerkstoffe M-11 
Document Type: Thesis
Thesis Type: Doctoral Thesis
Advisor: Fiedler, Bodo  
Referee: Schneider, Gerold A. 
Project: Nano2Industry - SWCNT - und Graphen-Konzentrate vom Labormaßstab zum erforderlichen industriellen Produktmaßstab 
License: CC BY-NC-SA 4.0 (Attribution-NonCommercial-ShareAlike) CC BY-NC-SA 4.0 (Attribution-NonCommercial-ShareAlike)
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