03.04.2013

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Graphen für verbesserten Flammschutz von Kunststoffen

"Das Reizvolle von Graphen ist sein Multifunktionscharakter. Es gelingt mit geringen Mengen gleichzeitig den Flammschutz, die mechanischen Eigenschaften und die Leitfä­higkeit zu verbessern", sagt Projektleiter Bernhard Schartel von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Als spannend erachtet Schartel auch die Eigenschaft als Antitropfmittel. Graphen ist eng mit Graphit verwandt. Graphen besteht nur aus einer Lage von Kohlenstoffatomen und ist extra dünn. Obwohl die aus wenigen Graphenlagen bestehenden Werkstoffe seit mehr als 100 Jahren bekannt und als Bleistiftstrich auf Papier allgegen­wärtig sind, wird erst seit wenigen Jahren an der Entwicklung von Anwendungen von Graphenen gearbeitet. Auslöser dieser Aktivitäten war, dass an einzelnen Atomlagen des bienenwabenförmig strukturierten Kohlen­stoff­moleküls herausragende Material­eigenschaften gemessen werden konnten. Graphen ist ein im Verhältnis zu seiner Dicke von nur einem drei­millionstel Millimeter ein extrem großflächiges, zweidimensionales Molekül mit Ab­messungen von einem Millimeter. Es ist transparent, hoch elektrisch leitfähig, chemisch beständig und weist zudem eine hohe mechanische Beständigkeit auf. Darü­ber hinaus zeigt es eine hohe Undurchlässigkeit gegenüber Gasen und Flüssigkeiten - alles Eigenschaften, die es, so die Ein­schätzung der Wissenschaftler, zu einem Hoffnungsträger für die Entwicklung neuer Hochleistungs­werkstoffe machen.Um Graphene und die ebenso interessanten Multilayer-Graphene (welche aus wenigen Lagen von Graphen bestehen) für neue Anwendungen, beispielsweise für verstärkte oder flamm­geschützte Kunststoffe verfügbar zu machen, ist die BAM auch bei der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren aktiv. Diese haben das Ziel, die derzeit noch extrem hohen Herstellungskosten von Graphenen zu senken und neue Materialqualitä­ten bereitzustellen. Unter der Leitung des BAM-Wissenschaftlers Asmus Meyer-Plath werden dazu Hochtemperaturverfahren entwickelt, die Graphene durch eine explosions­artige Zerteilung der Graphenvorstufe Graphitoxid erzeugen. Ein neuartiges plasmabasisertes Zerteilungsverfahren erlaubt hingegen, direkt aus Graphit weniger als einen Zehntausendstel Millimeter (oder 0,0001 mm) kleine Graphitflocken herzustellen. "Diese sind zwar dicker als Multilayer-Graphen, könnten aber zum Beispiel als Schmiermittel sehr inte­ressant sein", sagt Meyer-Plath.Die Aktivitäten der BAM werden im Rahmen des Instituts­forschungs­verbundes "FUNgraphen" vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und von einem Industriebeirat begleitet. Zum Forscherteam "FUNgraphen" gehören neben der BAM, das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg unter Leitung von Andreas Kailer, der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth von Prof. Volker Altstädt und das Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Albert-Ludwigs-Universität mit den Arbeitskreisen der Professoren Christian Friedrich, Michael Moseler und Rolf Mülhaupt. Durch die Zusammenarbeit mit der Industrie ist es dem Verbund gelungen, weitere interessante Ergebnisse zu erarbeiten: In Bayreuth konnte zum Beispiel durch den Zusatz von Gra­phen, die Zellgrößen von Polystyrol-Schäumen erheblich verkleinert werden. Im Ergebnis wird so eine neue Qualität der Wärmedämmwirkung von Schaumstoffen möglich, die beim Einsatz in der Gebäudeisolation zur Verminderung von Heizkosten beitrüge.Der Arbeitsgruppe von Prof. Rolf Mülhaupt vom FMF gelang es, durch die Einar­beitung von Graphenen in Kunststoffe und Gummi, diese Werkstoffe mechanisch zu verstärken und zugleich elektrisch leitfähig und gasdichter zu machen, als es bisher mit Kohlenstoffpartikeln möglich war. Auf diese Weise können sie "dazu beitragen, die Ressourcen- und Energieeffizienz von Kunststoffen erheblich zu steigern", sagt der ge­schäftsführende Direktor des FMF Prof. Rolf Mülhaupt, der auch Koordinator sowie Sprecher des Verbundes FUNgraphen ist. Die neuen Materialien gelten auch als vielver­sprechend für einen Einsatz in Benzintanks und Kraftstoffleitungen, aber auch in Leicht­lauf-Autoreifen. Den Freiburgern ist es zudem gelungen, die Graphen-Herstellung in größeren Mengen durchzuführen.

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