Gestreckte Nanoröhrchen machen Kunststoffe robuster

Raleigh (USA)/Suzhou (China) – Deutlich stabiler bei gleichem Gewicht ist karbonverstärkter Kunststoff, wenn man die enthaltenen Kohlenstoffnanoröhrchen vorher streckt und ordnet. Das ist das Ergebnis einer neuen Herstellungsmethode aus den USA und China. Die Vorbehandlung der Nanoröhrchen und das enge Zusammenlagern verdoppelte nicht nur die Zugspannung und Steifigkeit des fertigen Materials, sie verbesserte auch seine thermische und elektrische Leitfähigkeit deutlich, berichtet das Team in den „Materials Research Letters“. Der Prozess soll sich leicht auf einen industriellen Maßstab erweitern lassen.

Yuntian Zhu, Materialforscher an der North Carolina State University, und seine Kollegen in China und den USA nutzten übliche, vorgefertigte Felder von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT). Sie ragen wie dünne, leicht schlappe Bäume im Wald in die Höhe, werden sie allerdings in Kunststoff eingebettet, liegen sie dort wellig nebeneinander und das Material zeigt eher enttäuschende Eigenschaften. Deshalb zogen die Forscher um Zhu nun die freien Enden der Röhren parallel in eine Richtung. Über rotierende Spulen wurden sie dann gedehnt und mit einer Polymerlösung besprüht, um sie eng aneinander zu binden. So erreichte das Team eine Art flaches, breites Band mit einem hohen CNT-Anteil pro Volumen, das sich in Schichten weiterverarbeiten lässt.

„Unser stärkstes CNT-Komposit ist mindestens 15 Prozent stärker als das derzeit beste technische Komposit“, schreiben die Forscher. Die Zugfestigkeit des Kunststoffbandes stieg im Vergleich zum üblichen Material um rund 90 Prozent auf bis zu 3,8 Gigapascal und die Steifigkeit wuchs auf mehr als das Doppelte. Die Wärmeleitfähigkeit verdreifachte sich sogar beinah auf 40 Watt pro Meter und Kelvin und die elektrische Leitfähigkeit stieg um immerhin 50 Prozent auf 1230 Siemens pro Zentimeter.

Kohlenstoffnanoröhrchen allein sind bereits eine Größenordnung belastbarer als andere technische Fasern. In Kunststoff wird umso stabiler, je mehr Röhren eingebettet werden, je längere sie sind und je paralleler sie lagern. Dies optimiert die neue Produktionsmethode: Leichter, flexibler und mit deutlich besserer Leitfähigkeit ist das Material nicht nur für den Einsatz in Fahrrädern oder Karosserieteilen interessant.