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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-37097
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3709/


Synthese von Polyolefin/CNT Nanocomposites durch in situ Polymerisation mittels Metallocen/MAO Katalyse

Polyolefin/CNT nanocomposites synthesized by in situ polymerization, catalyzed by metallocene/MAO

Funck, Andreas

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SWD-Schlagwörter: Polymerisation , Verbundwerkstoff , Polypropylen , Carbon Nanotubes
Freie Schlagwörter (Deutsch): Nanocomposite , in situ Polymerisation , Metallocen , Methylaluminoxan, CNT
Freie Schlagwörter (Englisch): nanocomposite , in situ polymerization , metallocene , MAO , CNT
Basisklassifikation: 35.17 , 35.80
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kaminsky, Walter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.06.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 25.06.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21sten Jahrhunderts. Insbesondere Kohlenstoff Nanoröhren (CNT) sind aufgrund ihres außergewöhnlichen Eigenschaftsprofils in den Fokus des wissenschaftlichen sowie industriellen Interesses gerückt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, die hochmolekulare sowie hochgefüllte Polyolefin/CNT mit hervorragender Dispersionsqualität und Matrixanhaftung ermöglicht. Die [Chemisorb. MAO] genannte Methode basiert darauf, dass durch Reaktionen zwischen modifizierten CNT und Methylaluminoxan (MAO) ein heterogener Cokatalysator entsteht. Dadurch wird der polymerisationsaktive Komplex in unmittelbarer Nähe zum Nanotube gebildet und das Polymerwachstum findet quasi direkt auf den Nanotubes statt. Durch diese Art der Reaktionsführung war erstmals die Synthese hochgefüllter (bis ca. 40 Gew% CNT) und hochmolekularer Nanocomposites möglich (MW = 1.5 x 10^6 g/mol). Morphologische Untersuchungen mittels SEM und TEM ließen den Schluss zu, dass selbst bei hohen CNT-Gehalten nahezu alle Nanotubes separiert voneinander vorlagen und von einem Polymerfilm umhüllt waren. Darüber hinaus konnte die Matrixanhaftung verbessert werden, sodass kein Pull-out-Effekt, d.h. kein Abgleiten der Matrix vom CNT unter Zugbelastung, mehr auftrat.
Diese Tatsache spiegelte sich unter anderem in den mechanischen Eigenschaften der resultierenden Nanocomposites wieder. So stieg beispielsweise für HMWiPP/ox. CNT [Chemisorb. MAO] mit 2.3 Gew% CNT die Warmformbeständigkeit um ca. 45 % an. Die Biegesteifigkeit konnte ebenfalls stark verbessert werden. Des Weiteren zeigten PE/ox. CNT Nanocomposites bereits bei kleinen CNT-Gehalten eine deutliche Zunahme der Zugfestigkeit und der E-Moduln. Durch das Einmischen von nur 5.8 Gew% CNT wurden die E-Moduln sowie die Festigkeit des Materials im Vergleich zum entsprechenden Homopolymer nahezu verdoppelt, ohne dass gravierende Einschränkungen bezüglich der Reißdehnung in Kauf genommen werden mussten. Hinzu kommt, dass ein solches Material eine elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung aufwies, wie sie für Antistatikanwendungen interessant ist.
Ferner wurden die thermischen (Tc, Tm, Kristallisationshalbwertzeit, Avrami Analyse), rheologischen und elektrischen Eigenschaften der Nanocomposites untersucht sowie Methoden zur NT-Seitenwandmodifizierung entwickelt.

Matrices: iPP, HMWiPP, PE.
CNT: DWCNT, MWCNT, ox. MWCNT, DWCNT-NO2, MWCNT-NO2.
Kurzfassung auf Englisch: Nanotechnology is assumed to be one of the key technologies of the next century. Carbon nanotubes (CNT) are an especially attractive class of fillers for polymers because of their intriguing mechanical and thermal properties.

The principal objective was to synthesize nanocomposites of any molecular weight with a homogeneous CNT dispersion, good wetting, and strong matrix adhesion - even at high loadings.

This work presents a new pre-treatment method, which makes highly filled (up to 40 wt%) nanocomposites with homogeneous CNT distribution, very good nanotubes separation, and excellent matrix adhesion; independent of the matrix’s molecular weight (up to 1.5 x 10^6 g/mol). This method anchors Methylaluminoxan (MAO) covalently to the surface of the nanotubes [Chemisorb. MAO]. Thus a heterogeneous or supported co-catalyst is formed and the polymerization starts directly on the tube surface, which is in turn causes an encapsulation of the CNT with roughly 10 nm of polymer film.

In general, EM micrographs showed - even at high loadings – an almost complete separation, good wetting, and an encapsulation of the CNT, but does not contain nanotube pull-out, indicating a good interfacial adhesion and load transfer during stress.
The mechanical properties of the nanocomposites were investigated. The dimensional stability of a high molecular weight isotactic polypropene (HMWiPP) composite containing 2.3 wt% CNT increased by about 45 %. The flexural stiffness was also found to increase. Incorporation of CNT into a PE matrix led to very tough materials, where even at low CNT content distinctive effects on the tensile strength and on the Young’s Moduli were found. For a PE based composite with 5.8 wt% CNT, the strength and the E modulus doubles in comparison to the pure polymer, without serious negative effects on the elongation at break. Moreover such a materials exhibit an electrical conductivity in range, which might be interesting for antistatic applications.
Also the thermal, rheological and electrical properties were examined. Further more different ways for NT sidewall modifications were tested.

Matrices: iPP, HMWiPP, PE.
CNT: DWCNT, MWCNT, ox. MWCNT, DWCNT-NO2, MWCNT-NO2.

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