Forscher schaffen eine robuste, leitfähige Epoxy-Graphen-Schaumstoffmischung.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Rice University hat Epoxidharz mit einem hochsteifen Graphenschaumstoff und einem Gerüst aus Kohlenstoff-Nanoröhren kombiniert, um einen elastischen Verbundwerkstoff zu bauen, der widerstandsfähiger und genauso leitfähig ist wie andere Verbindungen, aber so leicht wie reines Epoxidharz.

Han et al. entwickelten eine Epoxid-Graphen-Schaumstoffmischung, die zäh und leitfähig ist, ohne signifikantes Gewicht zu verursachen. Bildnachweis: Rice University.

Epoxid ist ein Isolator und wird häufig in Beschichtungen, Klebstoffen, Elektronik, industriellen Werkzeugen und strukturellen Verbundwerkstoffen verwendet.

Metall- oder Kohlenstofffüllstoffe werden oft für Anwendungen hinzugefügt, bei denen Leitfähigkeit erwünscht ist, wie z.B. bei elektromagnetischen Abschirmungen. Aber es gibt einen Kompromiss: Mehr Füllstoff bringt eine bessere Leitfähigkeit auf Kosten von Gewicht und Druckfestigkeit, und der Verbund wird schwieriger zu verarbeiten.

Die Dr. James Tour der Rice University und Co-Autoren ersetzten Metall- oder Kohlenstoffpulver durch einen 3D-Schaum aus nanoskaligen Graphenplatten.

„Der Graphenschaum ist ein einzelnes Stück Graphen mit wenigen Schichten. Daher ist der gesamte Schaumstoff in Wirklichkeit ein großes Molekül“, sagte Dr. Tour.

„Wenn das Epoxy in den Schaum eindringt und dann aushärtet, wird jede Biegung des Epoxy an einer Stelle den Monolithen an vielen anderen Stellen aufgrund des eingebetteten Graphengerüsts belasten. Das stärkt letztendlich die gesamte Struktur.“

Die puckförmigen Verbundwerkstoffe mit 32% Schaum waren geringfügig dichter, hatten aber eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 14 Siemens/cm (ein Maß für die Leitfähigkeit).

Der Schaumstoff erhöhte das Gewicht der Verbindung nicht signifikant, sondern gab ihr die siebenfache Druckfestigkeit von reinem Epoxid.

Die einfache Verzahnung zwischen Graphen und Epoxidharz trug ebenfalls zur Stabilisierung der Struktur des Graphen bei.

„Wenn das Epoxid in den Graphenschaum eindringt und dann aushärtet, wird das Epoxid in mikrometergroßen Bereichen des Graphenschaums eingefangen“, erklärte Dr. Tour.

Das Team erhöhte den Einsatz, indem es mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den Graphenschaum mischte.

Die Nanoröhrchen wirkten wie Bewehrungsstäbe, die mit dem Graphen verbunden waren, und machten den Verbundwerkstoff 1.732% steifer als reines Epoxid und fast dreimal so leitfähig mit etwa 41 Siemens/cm, weitaus größer als fast alle bisher gemeldeten gerüstbasierten Epoxid-Verbundwerkstoffe.

„Das Material könnte zunächst die Kohlenstoff-Verbundharze ersetzen, die zum Vorimprägnieren und Verstärken von Geweben verwendet werden, die in Materialien von Luft- und Raumfahrtstrukturen bis hin zu Tennisschlägern verwendet werden“, sagte Dr. Tour.

Die Arbeit des Teams wird in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

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Xiao Han et al. Ultra-steife Graphenschäume als dreidimensionale leitfähige Füllstoffe für Epoxidharz. ACS Nano, online veröffentlicht am 8. November 2018; doi: 10.1021/acsnano.8b05822

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