Mechanochemisch funktionalisiertes Mehrlagengraphen und Polyethylen-Reaktorblends für maßgeschneiderte Polymer-Nanokomposite

Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung und Anwendung von mechanochemisch funktionalisierten Mehrlagengraphenen (MFG) aus Graphit. Es wurden deren Synthese durch Mahlen mit einer Planetenkugelmühle, die Eignung von MFG als Trägermaterial für die Polyethylen-Katalyse und die Verwendung als Füllstoff für Nanokomposite untersucht. Bei der Herstellung der hochgefüllten Komposite wurden die synergetischen Effekte von kohlenstoffbasierten Füllstoffen und die selbstverstärkende Wirkung von PE-Reaktorblends (RB) in Kompositen aufgezeigt. Im letzten Teil konnten zusätzlich über den mechanochemischen Ansatz Polystyrol (PS) und Polyethylen (PE) kovalent an MFG angebunden werden.
Die Darstellung der kantenfunktionalisierten MFG erfolgte über eine einstufige und lösungsmittelfreie Synthese bei der Graphit in verschiedenen Gasatmosphären (Ar und CO2) vermahlen wurden. Dadurch war es möglich Funktionalisierungsart (Hydroxyl- und Carboxylgruppen) und Morphologie der Partikel (sphärisch und plättchenartig) zu variieren. Über die Rotationsgeschwindigkeit (167 bis 250 U∙min-1) konnten zudem der Funktionalisierungsgrad, die Exfolierung, die Partikelgröße und die spezifische Oberfläche eingestellt werden. Ebenso wurden bei der Variation des Füllgrads der Mahlkammern (8 bis 32 %) in Kombination mit verschiedenen Rotationsgeschwindigkeiten (300 und 400 U∙min-1) und Mahldauern (24 und 48 h) die Effekte auf die Größe, die Oberfläche und die Sauerstofffunktionalisierung der MFG charakterisiert und verschiedene Korrelationen aufgezeigt.
Die MFG wurden als Träger für die heterogene Mehrzentrenkatalyse zur Synthese von multimodalen PE-RB untersucht, wobei sie gute Aktivitäten ohne Anzeichen für Katalysator-Leaching zeigten. Dabei konnten mit den Katalysatoren Cr1, FeBIP und CrBIP maßgeschneiderte Materialien mit frei einstellbaren Anteilen von kurzkettigem PE-Wachs und langkettigem, ultrahochmolekularem PE synthetisiert werden. Ebenso konnten der Einfluss der Partikelgröße, der Funktionalisierungsart und des Funktionalisierungsgrads der vier Trägermaterialien auf die PE-Synthese bestimmt werden.
Bei der Verarbeitung der MFG zu hochgefüllten Polymer-Nanokompositen mittels Spritzguss konnten Füllstoffgehalte von 40 Gew.-% compoundiert werden. Das resultierende Eigenschaftsprofil zeigte perkolierende Netzwerke, die eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 6,0∙10 4 S∙cm-1 erzeugten und Mechaniken mit einer gesteigerten Steifigkeit (+240 %) und Festigkeit (+50 %), bei gleichzeitigen Einbußen in der Zähigkeit ( 55 %) und Bruchdehnung (-97 %). Die Barrierewirkung des Komposits konnte zusätzlich um bis zu 60 % gesteigert werden.
Durch den gleichzeitigen Einsatz von kohlenstoffbasierten Füllstoffen und eines RB (bis 50 Gew.-%) mit 9 Gew.-% UHMWPE wurden Synergieeffekte erzielt. Die selbstverstärkende Wirkung des RB resultierte in einer weiter verbesserten Mechanik, d.h. Steifigkeit (+350 %), Festigkeit (+535 %) und Zähigkeit (+280 %) bei reduzierter Bruchdehnung (-97 %). Die Effekte gingen deutlich über das Maß der Verstärkung durch RB oder Füllstoff hinaus. Gleichzeitig verloren die RB-MFG-Komposite jedoch ihre Leitfähigkeit und Barrierewirkung. Durch die Charakterisierung der Morphologie konnten die signifikanten, mechanischen Verbesserungen der selbstverstärkenden Wirkung des UHMWPE und der Ausbildung von faserartigen Überstrukturen zugeordnet werden. Zusätzlich wurde die schichtartige Orientierung der plättchenartigen Füllstoffe, bedingt durch die Verarbeitung, aufgezeigt.
Eine weitere Form der kovalenten Funktionalisierung von MFG stellte die mechanochemische Pfropfung mit Monomeren und Polymeren dar. Erstmals wurden sowohl die radikalische Synthese von Styrol als auch die kovalente Bindung von PS und PE auf MFG in einem einstufigen, mechanochemischen Prozess aufgezeigt. Dabei wurden die Unterschiede zwischen der Adsorption der Polymere bei der Trockenvermahlung mit Graphit und der kovalenten Anbindung bei der Nassvermahlung im Detail untersucht und analysiert. Durch die Polymeranbindung konnte die Dispersionsstabilität der MFG-Partikel um ein Vielfaches gesteigert werden. Die Verwendung der polymerfunktionalisierten MFG in Kompositen erzielte eine Verbesserung der Steifigkeits- und Festigkeitsbilanz zu Lasten der Zähigkeit und Dehnbarkeit der Komposite

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Deutsch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Classification and Topics

• Keyword: Nanokomposit ; Nanopartikel ; Kohlenstoff-Nanoröhre ; Füllstoff ; Graphen ; Funktionalisierung ; Mechanochemie ; Funktionalisierung ; Polyethylene ; Heterogene Katalyse ; Nanokomposit ; Graphen

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2022
• Creator: Gliem, Matthias
• Contributor: Mülhaupt, Rolf ; Mülhaupt, Rolf ; Friedrich, Christian ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Makromolekulare Chemie ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/227269
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2272692
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:43 PM CET