DE102011051871A1 - Process for the preparation of electrically conductive nanoparticle-containing polymer composites and polymer composites prepared by the process - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerkomposits, umfassend elektrisch leitfähige Nanopartikel sowie eine Polymermatrix, die ein oder mehrere Polymere enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (1) Bereitstellen von Agglomeraten (10) der elektrisch leitfähigen Partikel; (2) Einpacken der Agglomerate (10) in eine flexible, semipermeable Membran (20), so dass die Agglomerate (10) vollständig umhüllt wird; (3) Tränken der aus Schritt (2) erhaltenen eingepackten Agglomerate (10) mit einem oder mehreren Polymeren, das/die vorzugsweise gelöst in ein oder mehreren Lösungsmitteln vorliegen; (4) Pressen und bevorzugterweise anschließendes Aushärten, insbesondere unter Druck, der aus Schritt (3) erhaltenen Agglomerate (10); und (5) Zweckmäßigerweise entfernen der Membran (20) unter Erhalt des Polymerkomposits. Gegenstand der Erfindung sind auch die mit dem Verfahren erhaltenen Polymerkomposite sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die hergestellten Polymerkomposite liefern einen besonders hohen Füllgrad an Nanopartikeln und damit eine überaus hohe elektrische Leitfähigkeit der mit Nanopartikeln ausgerüsteten Polymere.The invention relates to a process for producing a polymer composite comprising electrically conductive nanoparticles and a polymer matrix which contains one or more polymers, the process comprising the following steps: (1) providing agglomerates (10) of the electrically conductive particles; (2) wrapping the agglomerates (10) in a flexible semipermeable membrane (20) so that the agglomerates (10) are completely enveloped; (3) impregnating the packed agglomerates (10) obtained from step (2) with one or more polymers, preferably dissolved in one or more solvents; (4) pressing and preferably subsequent curing, in particular under pressure, of the agglomerates (10) obtained from step (3); and (5) Conveniently, remove the membrane (20) to obtain the polymer composite. The invention also provides the polymer composites obtained by the process and a device for carrying out the process. The polymer composites produced provide a particularly high degree of filling of nanoparticles and thus a very high electrical conductivity of polymers equipped with nanoparticles.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerkompositen, die elektrisch leitfähige Nanopartikel, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren, enthalten, sowie mit dem Verfahren hergestellte Polymerkomposite.The invention relates to a process for the preparation of polymer composites containing electrically conductive nanoparticles, in particular carbon nanotubes, as well as polymer composites prepared by the process.

Seit Anfang der 90er Jahre sind Kohlenstoff-Nanoröhren oder CNTs (engl. carbon nanotubes) bekannt. Es handelt sich um mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde, d.h. molekulare Nanoröhren, die nur aus Kohlenstoff aufgebaut sind. Diese auch als Nanopartikel bezeichneten Kohlenstoff-Nanoröhren entsprechen der planaren Schicht des Graphits, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Dabei bilden die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern. Die Röhren können linear verlaufen, abgeknickt sein, sich verengen und können zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich beispielsweise die elektrischen Eigenschaften ändern. Bekannt sind Röhrendurchmesser im Bereich von etwa 1 bis 50 nm und Längen bis zu Bereichen von mehreren Millimetern, wobei kommerziell erhältliche Nanoröhren in der Regel Längen von 1 bis 50 µm aufweisen. Es wurden bereits Röhrenbündel mit bis zu 20 cm Durchmesser erzeugt. Man unterscheidet zwischen einwandigen CNTs (auch SWCNTs, engl. single-walled carbon nanotube) und mehrwandigen CNTs (auch MWNTs, engl. multi-walled nanotubes), bei denen mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen. Weiterhin gibt es doppelwandige CNTs (auch DWCNT engl. double-walled carbon nanotubes) oder auch dünnwandige CNTs (auch TWNTs, engl. thin-walled nano tubes). Bekannt sind CNTs mit offenen Röhren, die gefüllt oder leer sein können, oder auch mit geschlossenen Röhren. Carbon nanotubes or carbon nanotubes (CNTs) have been known since the early 1990s. These are microscopically small tubular structures, i. molecular nanotubes that are built only from carbon. These carbon nanotubes, also referred to as nanoparticles, correspond to the planar layer of graphite that is rolled up into a cylinder. The carbon atoms form a honeycomb-like structure with hexagons and three bonding partners. The tubes may be linear, kinked, narrow, and may additionally be twisted, changing, for example, the electrical properties. Tube diameters in the range of about 1 to 50 nm and lengths up to several millimeters are known, with commercially available nanotubes generally having lengths of 1 to 50 μm. Tube bundles with a diameter of up to 20 cm have already been produced. A distinction is made between single-walled CNTs (also known as single-walled carbon nanotube SWCNTs) and multi-walled nanotubes (MWNTs), in which several single-walled tubes are concentric with one another. Furthermore, there are double-walled CNTs (also called DWCNT double-walled carbon nanotubes) or thin-walled CNTs (also known as TWNTs, or thin-walled nanotubes). Known are CNTs with open tubes that can be filled or empty, or even with closed tubes.

Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren sind überragend. Zusätzlich zu den hervorragenden mechanischen Eigenschaften können die Kohlenstoff-Nanoröhren metallische oder Halbleiter-Eigenschaften, basierend auf der chiralen Struktur des Fullerens, bereitstellen. Auch supraleitende Strukturen sind bekannt.The mechanical properties of the carbon nanotubes are outstanding. In addition to the excellent mechanical properties, the carbon nanotubes can provide metallic or semiconductor properties based on the chiral structure of the fullerene. Superconducting structures are also known.

Einige CNTs zeigen zusätzlich besonders gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, wie zum Beispiel eine thermische Stabilität bis zu etwa 2800°C im Vakuum und etwa 750°C an Luft und eine thermische Leitfähigkeit, die etwa doppelt so groß ist wie bei Diamant. Die Strombelastbarkeit beträgt etwa das 1000-fache der Belastbarkeit von Kupferdrähten.In addition, some CNTs exhibit particularly good thermal and electrical conductivity, such as thermal stability up to about 2800 ° C in vacuum and about 750 ° C in air, and thermal conductivity about twice that of diamond. The current carrying capacity is about 1000 times the load capacity of copper wires.

Bekannte Herstellungsverfahren für CNTs beruhen auf einer Lichtbogenentladung zwischen Kohlenstoffelektroden, der Verwendung eines Lichtbogens zusammen mit speziellen Katalysatoren, einem Laserverfahren oder einer katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen (CVD-Verfahren), wodurch man ganze Felder von weitgehend parallelen Röhren auf einem Substrat aufwachsen lassen kann. Die Verfahren können zwischenzeitlich zur Herstellung größerer Mengen verschiedener CNTs im Hinblick auf den Durchmesser, die Länge, Mehrwandigkeit usw. zum Beispiel unter Erhalt von Gramm-Mengen eingesetzt werden.Known manufacturing methods for CNTs are based on arc discharge between carbon electrodes, the use of an arc together with special catalysts, a laser process or a catalytic decomposition of hydrocarbons (CVD method), which allows whole fields of largely parallel tubes to grow on a substrate. In the meantime, the processes can be used to produce larger amounts of various CNTs in terms of diameter, length, multiwall, etc., for example, to obtain gram amounts.

Einsatz finden CNTs zum Beispiel in Faserverbundwerkstoffen, bei denen Nanoröhren auf Fasern aufgebracht werden, um deren Anbindung an die umgebende Harz-Matrix, zu verbessern, wodurch erhebliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften resultieren.For example, CNTs find use in fiber composites where nanotubes are applied to fibers to enhance their bonding to the surrounding resin matrix, resulting in significant improvements in mechanical properties.

Ihre besonderen thermischen als auch elektrischen Eigenschaften, kombiniert mit anderen Eigenschaften, wie der hohen Steifigkeit und Festigkeit, haben zu einer Reihe an Entwicklungen von Kohlenstoff-Nanoröhren enthaltenden Kompositen für verschiedenartige Anwendungsgebiete geführt. Their particular thermal and electrical properties, combined with other properties such as high rigidity and strength, have led to a number of developments of carbon nanotube composites for a variety of applications.

Bekanntermaßen werden die Kohlenstoff-Nanoröhren daher in Polymerkomposite eingebracht, indem die CNTs im Allgemeinen in Form von Bündeln in eine Polymermatrix einbezogen werden. Die Kohlenstoff-Nanoröhren weisen zwar entlang ihrer Längsachse eine hohe Festigkeit auf, zwischen den einzelnen Nanoröhren resultiert der Zusammenhalt jedoch nur auf Grund von van der Waals-Kräften, so dass eine Polymermatrix den Zusammenhalt verstärkt. Die einzigartigen Eigenschaften der CNTs verleihen dem Kunststoff zusätzliche besondere Eigenschaften. Kohlenstoffnanoröhren führen daher in der Regel zu einer Erhöhung der Festigkeit, Elastizität, Belastbarkeit, Formsteifigkeit und Zähigkeit von Polymerkompositen. As is known, the carbon nanotubes are therefore incorporated into polymer composites by generally including the CNTs in a form of bundles in a polymer matrix. Although the carbon nanotubes have a high strength along their longitudinal axis, the cohesion between the individual nanotubes only results from van der Waals forces, so that a polymer matrix enhances cohesion. The unique properties of CNTs give the plastic additional special properties. Carbon nanotubes therefore usually lead to an increase in the strength, elasticity, loading capacity, stiffness and toughness of polymer composites.

Durch Einmischen von Nanoröhren in herkömmliche Kunststoffe können nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe verbessert werden, sondern es ist auch möglich, elektrisch leitende Kunststoffe herzustellen. Bereits ein Zusatz von 0,04 Gew.-% an CNT reicht aus, einen Kunststoff (zumindest geringfügig) elektrisch leitfähig auszurüsten, wobei die elektrische Leitfähigkeit im Wesentlichen korreliert mit der Höhe des Gewichtsanteils an CNTs. Die kritische Füllstoff-Konzentration um tatsächlich elektrische Leitfähigkeit zu erzielen wird als Perkolations-Schwelle („percolation threshold“) bezeichnet. Damit sind CNTs beispielsweise herkömmlichen Leitfähigkeitsrußen, die u.a. für Elektrodenmaterial eingesetzt werden, weit überlegen. Elektrisch leitfähige Kunststoffe gelten daher in vielen Bereichen als zukunftsweisendes Material. By mixing nanotubes in conventional plastics not only the mechanical properties of the plastics can be improved, but it is also possible to produce electrically conductive plastics. Even an addition of 0.04 wt .-% of CNT is sufficient to provide a plastic (at least slightly) electrically conductive, the electrical conductivity is substantially correlated with the height of the weight fraction of CNTs. The critical filler concentration to actually achieve electrical conductivity is referred to as the percolation threshold. Thus, for example, CNTs are conventional conductivity carbon blacks, which include, but are not limited to, carbon blacks. used for electrode material, far superior. Electrically conductive plastics are therefore regarded as pioneering material in many areas.

Elektrisch leitende Polymerkomposite sind aufgrund ihrer einzigartigen Kombination aus elektrischer Leitfähigkeit und Flexibilität des Polymers sehr gefragt. Derartige Komposite finden beispielsweise Verwendung als Materialien für die elektromagnetische Interferenzabschirmung (EMI), wärmeabführende Filme, Lackierungen, Beschichtungen, Kleber, Schalter, Photoleiter, Impedanzadapter für OLEDs u.v.a.m.Electrically conductive polymer composites are very high because of their unique combination of electrical conductivity and flexibility of the polymer asked. Such composites find use, for example, as materials for electromagnetic interference shielding (EMI), heat-dissipating films, coatings, coatings, adhesives, switches, photoconductors, impedance adapters for OLEDs, and many more

In diese Kohlenstoff-Nanoröhren enthaltenden Polymerkompositen wurden sowohl SWCNTs als auch MWCNTs in duroplastischen Polymeren, wie Epoxiden, Polyimiden und Phenolharzen, als auch in thermoplastischen Polymeren, wie Polypropylen, Polystyrol, Polymethylmethacrylat (PMMA), Nylon 12 und Polyetheretherketon (PEEK) verwendet.In these carbon nanotube-containing polymer composites both SWCNTs and MWCNTs have been used in thermoset polymers such as epoxies, polyimides and phenolic resins, as well as in thermoplastic polymers such as polypropylene, polystyrene, polymethylmethacrylate (PMMA), nylon 12 and polyetheretherketone (PEEK).

Anders als die Herstellung herkömmlicher faserverstärkter Komposite ist die Herstellung und Verarbeitung von Kohlenstoff-Nanoröhren enthaltenden Polymerkompositen sehr viel komplizierter und aufwändiger:
Ein Problem stellt beispielsweise die gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel, d.h. Nanoröhren, dar, da die van der Waals-Kräfte, die zwischen den Nanoröhren wirken, der Verteilung in einem Polymermedium entgegenwirken und eine Agglomeration der Nanoröhren unterstützen. So neigen zum Beispiel SWCNTs zu Verschlingungen wie verdrillte Seile und MWCNTs, die mittels eines CVD-Verfahrens hergestellt wurden, verwickeln sich ähnlich wie Spaghettis. Die Trennung der Nanoröhren in einem Lösungsmittel oder mit Hilfe einer Matrix ist daher eine Voraussetzung, um ein leitfähiges Netzwerk auszubilden.Unlike the production of conventional fiber-reinforced composites, the production and processing of polymer composites containing carbon nanotubes is much more complicated and expensive:
One problem is, for example, the uniform distribution of the nanoparticles, ie nanotubes, since the van der Waals forces acting between the nanotubes counteract the distribution in a polymer medium and support an agglomeration of the nanotubes. For example, SWCNTs tend to have entanglements such as twisted ropes, and MWCNTs made by a CVD process entangle like spaghetti. The separation of the nanotubes in a solvent or with the aid of a matrix is therefore a prerequisite for forming a conductive network.

Das Problem der Agglomeration bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der Kohlenstoff-Nanoröhren enthaltenden Komposite führt auch dazu, dass die Dispersion von Kohlenstoff-Nanoröhren in hochviskosen Polymeren sich sehr schwierig gestaltet. Auch sind die dabei erhaltenen Anteile an Kohlenstoff-Nanoröhren, die im Komposit vorliegenrelativ gering.The problem of agglomeration in the production and further processing of composites containing carbon nanotubes also leads to the fact that the dispersion of carbon nanotubes in highly viscous polymers is very difficult. Also, the resulting proportions of carbon nanotubes that are present in the composite are relatively low.

Es wurde bereits versucht, dieses Problem durch Funktionalisierung zu verbessern, wodurch zwischen den Nanoröhren und der Polymermatrix sich gegenseitig anziehende Wechselwirkungen aufgebaut werden. Hierbei werden entweder durch chemische Verfahren oder Bestrahlung mit Elektronen oder Ionen chemische Bindungen zwischen den Nanoröhren und der Matrix erzeugt. Dies erleichtert beispielsweise das Ablösen bzw. Abschälen von Röhren aus Bündeln und verbessert deren Verarbeitbarkeit, kann zur Modifizierung der Eigenschaften herangezogen werden und zur Verbesserung der Verbindung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren und der einbettenden Matrix. Bekannt sind auch Vorbehandlungen der Nanoröhren, wie eine Behandlung mit Ultraschall, Mixen oder Kalandrieren um die CNTs zu dispergieren.It has already been attempted to improve this problem by functionalization, thus establishing mutually attractive interactions between the nanotubes and the polymer matrix. In this case, chemical bonds between the nanotubes and the matrix are produced either by chemical processes or by irradiation with electrons or ions. This facilitates, for example, the peeling or peeling of tubes from bundles and improves their processability, can be used to modify the properties and to improve the connection between the carbon nanotubes and the embedding matrix. Also known are pretreatments of the nanotubes, such as a treatment with ultrasound, mixing or calendering to disperse the CNTs.

Nachteilig an derartigen Funktionalisierungen oder Vorbehandlungen sind jedoch die damit einhergehenden Veränderungen der Kohlenstoff-Nanoröhren. Beispielsweise kann hierbei das Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis („aspect ratio“) der Röhren verändert werden oder es wird eine Modifizierung der Oberflächeneigenschaften der Röhren erreicht, was sich jedoch regelmäßig nachteilig auf die mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften der CNTs auswirken kann.However, the disadvantages of such functionalizations or pretreatments are the associated changes in the carbon nanotubes. For example, in this case, the aspect ratio of the tubes can be changed or a modification of the surface properties of the tubes is achieved, but this can regularly adversely affect the mechanical and / or electrical properties of the CNTs.

Neben der Neigung der Nanoröhren zur Agglomeration sowie der unzureichenden Dispersion in Polymermedien ist ein weiteres Problem der hohe Aufwand bei der Herstellung der Polymerkomposite, welche die Kohlenstoff-Nanoröhren oder CNTs enthalten. Hierfür müssen die Kohlenstoff-Nanoröhren beispielsweise auf ein Substrat permanent aufgebracht und dort in welcher Form auch immer angeordnet werden. Dies erfordert eine Vielzahl von Verarbeitungs- bzw. Verfahrensschritten. Beispielsweise ist es möglich, die Kohlenstoff-Nanoröhren in entsprechenden Lösungen zu dispergieren und hieraus dünne Filme auf Substraten zu erzeugen. Durch Eintauchen in verschiedene Lösungen können Komposite mit relativ hohen Volumenanteilen erzeugt werden, zum Beispiel jeweils mit einer Dicke von wenigen Nanometern je Durchgang. Dieses Herstellungsverfahren ist jedoch sehr zeitaufwändig und umständlich und die zugänglichen Produkte haben nur Dicken im µm-Bereich.In addition to the tendency of the nanotubes to agglomerate and the insufficient dispersion in polymer media, another problem is the high cost in the preparation of polymer composites containing the carbon nanotubes or CNTs. For this purpose, the carbon nanotubes must be permanently applied, for example, to a substrate and arranged there in whatever form. This requires a variety of processing or process steps. For example, it is possible to disperse the carbon nanotubes in appropriate solutions and to produce therefrom thin films on substrates. By immersion in different solutions composites can be produced with relatively high volume fractions, for example, each with a thickness of a few nanometers per pass. However, this manufacturing process is very time consuming and cumbersome and the accessible products only have thicknesses in the micron range.

Mit den bekannten Verfahren gelingt es zudem bislang nur Kohlenstoff-Nanoröhren mit im Allgemeinen geringer Länge zu verarbeiten.Moreover, with the known methods it is only possible to process carbon nanotubes of generally short length.

Die an sich lose und schwach gebundenen Kohlenstoff-Nanoröhren, die beispielsweise als Agglomerat in Form einer Ansammlung von CNTs oder ausgebildet in mehreren Lagen vorliegen, machen es schwierig, auf die Kohlenstoff-Nanoröhren eine gleichmäßige Kraft über die gesamte Dicke der beispielsweise als CNT-Lagen vorliegenden Struktur aufzubringen. Die Wechselwirkungen zwischen den Nanoröhren untereinander sind schwach ausgebildet, da nur van der Waals-Kräfte vorliegen, so dass der Zusammenhalt leicht auseinander bricht. Daher gibt es bislang kein praktisch einsetzbares Verfahren, um eine Erhöhung des Anteils an Kohlenstoff-Nanoröhren in einer Polymermatrix zu erreichen.The inherently loose and weakly bonded carbon nanotubes, which are present, for example, as an agglomerate in the form of an accumulation of CNTs or formed in multiple layers, make it difficult to apply a uniform force over the entire thickness of the carbon nanotubes, for example as CNT layers present structure apply. The interactions between the nanotubes with each other are weak, since only van der Waals forces are present, so that the cohesion breaks apart easily. Therefore, to date, there is no practical method to achieve an increase in the content of carbon nanotubes in a polymer matrix.

Aus dem Stand der Technik ist eine große Reihe an Veröffentlichungen bekannt geworden, die sich mit der Lösung der oben geschilderten Probleme beschäftigen. Beispielhaft seien nachfolgend einige erläutert:
So beschreibt die US 7,569,637 B2 mit Kohlenstoff-Nanoröhren verstärkte Polymere sowie ein Verfahren für deren Herstellung. Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung von einem mit Kohlenstoff-Nanoröhren verstärkten Polymer beschrieben, umfassend die folgenden Schritte:

• A) In Kontakt bringen von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer wasserlöslichen Komponente in einem wässerigen Medium, wobei die Komponente entweder ein wasserlösliches erstes Polymer aufweist oder ein wasserlösliches oberflächenaktives Mittel;
• B) Mischen des aus Schritt A) resultierenden Produkts mit entweder wässerigem Latex eines zweiten Polymers oder mit einem oder mehreren wasserlöslichen Vorläufern eines zweiten Polymers;
• C) Entfernen des Wassers aus der in Schritt B) erhaltenen Mischung;
• D) Formpressen des Produkts von Schritt C) unter Einsatz von Druck und Temperatur, so dass das zweite Polymer zu fließen beginnt oder das zweite Polymer aus einem oder mehreren Vorläufern gebildet wird und hieraus ein mit Kohlenstoff-Nanoröhren verstärktes Polymer bildet, das einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 10⁶ Ω/cm bei einem Gehalt an Kohlenstoff-Nanoröhren von 1,5 Gew.-% und weniger aufweist und
• E) Verarbeiten und/oder Verfestigen des mit Kohlenstoff-Nanoröhren verstärkten Polymers aus Schritt D) in eine gewünschte Form.

From the prior art, a large number of publications have become known, which deal with the solution of the above-mentioned problems. By way of example, some are explained below:
That's how it describes US 7,569,637 B2 carbon nanotube reinforced polymers and a process for their preparation. In particular, a process for the production of carbon monoxide Nanotube reinforced polymer described comprising the following steps:

• A) contacting single-wall carbon nanotubes with a water-soluble component in an aqueous medium, the component comprising either a water-soluble first polymer or a water-soluble surfactant;
• B) mixing the product resulting from step A) with either aqueous latex of a second polymer or with one or more water-soluble precursors of a second polymer;
• C) removing the water from the mixture obtained in step B);
• D) molding the product of step C) using pressure and temperature such that the second polymer begins to flow or the second polymer is formed from one or more precursors and forms therefrom a carbon nanotube reinforced polymer having a specific electrical conductivity Has a resistance of less than 10 ⁶ Ω / cm with a content of carbon nanotubes of 1.5 wt .-% and less, and
• E) processing and / or solidifying the carbon nanotube-reinforced polymer from step D) into a desired shape.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren behalten hierbei im Wesentlichen ihr Verhältnis von Länge zu Durchmesser („aspect ratio“) und die mechanischen und Leitfähigkeitseigenschaften werden verbessert. Jedoch ist der erhaltene Anteil an CNTs nicht sehr hoch und damit bleibt die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls sehr niedrig.The carbon nanotubes essentially retain their ratio of length to diameter ("aspect ratio") and the mechanical and conductivity properties are improved. However, the proportion of CNTs obtained is not very high, and thus the electrical conductivity also remains very low.

Ferner beschreibt die US 7,943,065 B2 ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhren-Komposits, wobei der Komposit umfasst

• (a) Kohlenstoff-Nanoröhren und
• (b) eine Mischung eines Kern/Schale-Polymers in Form koaleszierender Polymerpartikel, wobei die Mischung der Polymerpartikel in ihrer nichtkoaleszierenden Form durch die Gegenwart von mindestens 2 Populationen von Polymerpartikeln mit einer Größenverteilung, die mindestens bimodal ist, definiert wird.

Furthermore, the describes US 7,943,065 B2 a method of making a conductive carbon nanotube composite, wherein the composite comprises

• (a) carbon nanotubes and
• (b) a mixture of a core / shell polymer in the form of coalescing polymer particles, wherein the mixture of polymer particles in their noncoalescing form is defined by the presence of at least 2 populations of polymer particles having a size distribution which is at least bimodal.

Das Herstellungsverfahren ist hierbei sehr kompliziert und die Polymere müssen sehr spezielle Voraussetzungen erfüllen.The manufacturing process is very complicated and the polymers must meet very specific requirements.

Die US 2010/0000770 A1 offenbart leitfähige Komposite, basierend auf Nanoröhren oder Nanostrukturen, ein Verfahren für deren Herstellung und Verwendung dieser. Im Verfahren zur Herstellung derartiger elektrisch leitfähiger Polymermatrix-Komposite wird ein Nanoröhren-, Nanostruktur-, Nanodraht- oder Nanofasermaterial in einem Lösungsmittel dispergiert, in dem ein dielektrisches oder teilweise leitfähiges Polymer löslich ist, das Polymer und die Dispersion werden vereinigt und die erhaltene Mischung unter Erhalt eines elektrisch leitfähigen Polymermatrix-Komposits getrocknet. Im Einzelnen wird beispielsweise ein CNT-Polystyrol-Nanokomposit hergestellt, indem die Nanoröhren in Toluol, enthaltend ein anionisches oberflächenaktives Mittel, wie Polyethylenglykol, dispergiert, mit einer Polystyrollösung in Toluol kombiniert und auf eine Platte gesprüht und dort bei Raumtemperatur getrocknet werden. Das hergestellte Material wird insbesondere für die elektromagnetische Interferenzabschirmung (EMI) eingesetzt. Zusätzlich kann ein Schäumungsmittel zugesetzt werden, um geschäumtes Material zu erhalten.The US 2010/0000770 A1 discloses conductive composites based on nanotubes or nanostructures, a process for their preparation and use thereof. In the process of making such electrically conductive polymer matrix composites, a nanotube, nanostructure, nanowire, or nanofiber material is dispersed in a solvent in which a dielectric or partially conductive polymer is soluble, the polymer and dispersion are combined, and the resulting mixture is submerged Obtained an electrically conductive polymer matrix composite dried. Specifically, for example, a CNT polystyrene nanocomposite is prepared by dispersing the nanotubes in toluene containing an anionic surface active agent such as polyethylene glycol, combining with a polystyrene solution in toluene, and spraying on a plate and drying it at room temperature. The material produced is used in particular for electromagnetic interference shielding (EMI). In addition, a foaming agent may be added to obtain foamed material.

Weiterhin betrifft die US 2010/0090171 A1 eine besonders gut elektrisch leitende Pastenzusammensetzung sowie ein Herstellungsverfahren hierfür. Hierbei werden die Kohlenstoff-Nanoröhren zunächst einer Oberflächenbehandlung unterzogen, d.h. die funktionelle Gruppe-COOR, wobei R C_1-20-Alkyl, C_6-20-Aryl, C_2-20-Alkenyl oder C_2-20-Alkinyl ist, wird durch eine Säurebehandlung und anschließende Veresterung mit einem mehrwertigen Alkohol (Polyol), in die Kohlenstoff-Nanoröhren eingeführt. Dann werden die modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhren in ein organisches Bindemittel gemischt. Die hergestellte Paste enthält 1 bis 10 Gewichtsteile an CNTs, bezogen auf 100 Gewichtsteile des gesamten Komposits. Die oberflächenmodifizierten CNTs sind leichter dispergierbar und weisen einen geringen elektrischen Widerstand auf.Furthermore, the concerns US 2010/0090171 A1 a particularly good electrically conductive paste composition and a manufacturing method thereof. Here, the carbon nanotubes are first subjected to a surface treatment, ie, the functional group -COOR, wherein RC _1-20 alkyl, C _6-20 aryl, C _2-20 alkenyl or C _2-20 alkynyl is by an acid treatment and subsequent esterification with a polyhydric alcohol (polyol), introduced into the carbon nanotubes. Then, the modified carbon nanotubes are mixed in an organic binder. The prepared paste contains 1 to 10 parts by weight of CNTs based on 100 parts by weight of the entire composite. The surface-modified CNTs are more easily dispersible and have a low electrical resistance.

Die US 2010/0203316 A1 beschreibt Kohlenstoff-Nanoröhren enthaltende Harzkomposite sowie ein Verfahren für deren Herstellung. Das Verfahren umfasst:
Ablegen eines Aggregrats ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhren, die senkrecht auf einem Substrat aufgewachsen wurden, das einen Katalysator aufweist, Imprägnieren des ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren-Aggregrats mit einem Harz und Ausformen des harzimprägnierten Aggregrats in eine Folie. Das CNT-Aggregrat weist eine spezifische Oberfläche von mindestens 600 m²/g auf.The US 2010/0203316 A1 describes resin composites containing carbon nanotubes and a process for their preparation. The method comprises:
Depositing an aggregate of aligned carbon nanotubes grown vertically on a substrate comprising a catalyst, impregnating the oriented carbon nanotube aggregate with a resin, and molding the resin impregnated aggregate into a film. The CNT aggregate has a specific surface area of at least 600 m ² / g.

Schließlich beschreibt die US 2010/0227155 A1 ein Verfahren zum Ausrichten von Nanofasern, beispielsweise in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren, umfassend: Bereitstellen eines Netzwerks aus Nanofasern, wobei das Netzwerk im Wesentlichen ohne Flüssigkeit vorliegt und mechanisches Dehnen des Netzwerks aus Nanofasern in eine erste Richtung. Finally, that describes US 2010/0227155 A1 a method of aligning nanofibers, for example in the form of carbon nanotubes, comprising: providing a network of nanofibers, wherein the network is substantially liquid-free, and mechanically stretching the network of nanofibers in a first direction.

Es gibt daher einen Bedarf nach einem neuen Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigen Partikeln wie Kohlenstoff-Nanoröhren enthaltenden Polymerkompositen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere die Probleme hinsichtlich Neigung der Nanopartikel zur Agglomeration sowie der unzureichenden Dispersion in Polymermedien ausschließt und Nanopartikel enthaltende Polymerkomposite mit verbesserten Eigenschaften bereitstellt, insbesondere Polymerkomposite mit einem höheren Gewichtsanteil an elektrisch leitfähigen Nanopartikeln im Polymerkomposit. Es sollen auch die Polymerkomposite, enthaltend elektrisch leitfähige Nanopartikel, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.There is therefore a need for a new process for producing electrically conductive particles, such as polymer composites containing carbon nanotubes, which has the disadvantages of Prior art avoids, in particular, the problems of inclination of the nanoparticles for agglomeration and the insufficient dispersion in polymer media excludes and nanoparticle-containing polymer composites provides improved properties, especially polymer composites with a higher weight fraction of electrically conductive nanoparticles in the polymer composite. It is also the polymer composites containing electrically conductive nanoparticles, and an apparatus for performing the method can be provided.

Die oben geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerkomposits, umfassend elektrisch leitfähige Nanopartikel, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs, carbon nanotubes), sowie eine Polymermatrix, die ein oder mehrere Polymere enthält, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

• (1) Bereitstellen von Agglomeraten der elektrisch leitfähigen Nanopartikel, insbesondere CNT-Agglomerate;
• (2) Einpacken der die Nanopartikel enthaltenden Agglomerate in eine, insbesondere flexibel ausgebildete, semipermeable Membran, so dass die Agglomerate vollständig umhüllt sind;
• (3) Tränken der aus Schritt (2) erhaltenen, eingepackten Agglomerate mit einem oder mehreren Polymeren oder Polymersystem-Ausgangkomponenten, das/die vorzugsweise gelöst in ein oder mehreren Lösungsmitteln vorliegen;
• (4) Pressen, und bevorzugterweise anschließendes Aushärten, insbesondere unter Druck, der aus Schritt (3) erhaltenen Agglomerate; und
• (5) Zweckmäßigerweise entfernen der Membran (20) unter Erhalt des Polymerkomposits.

The above-described object is achieved according to the invention by a method for producing a polymer composite, comprising electrically conductive nanoparticles, in particular carbon nanotubes (CNTs, carbon nanotubes), and a polymer matrix which contains one or more polymers, the method according to the invention having the following steps :

• (1) providing agglomerates of the electrically conductive nanoparticles, in particular CNT agglomerates;
• (2) packing the agglomerates containing the nanoparticles into a semipermeable membrane which is in particular flexibly formed so that the agglomerates are completely enveloped;
• (3) soak the ones from step ( 2 ), packed agglomerates with one or more polymers or polymer system starting components, which are preferably dissolved in one or more solvents;
• (4) pressing, and preferably subsequent curing, in particular under pressure, resulting from step ( 3 ) obtained agglomerates; and
• (5) Conveniently remove the membrane ( 20 ) to obtain the polymer composite.

Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, dass es ermöglicht Polymerkomposite mit einem hohen Gewichtsanteil von elektrisch leitfähigen Füllstoffen herzustellen. Die elektrisch leitfähigen Füllstoffe sind in der vorliegenden Erfindung Nanopartikel. Der Begriff "elektrisch leitfähige Nanopartikel" ist im vorliegenden Zusammenhang derart zu verstehen, dass hierunter grundsätzlich alle Partikel fallen können, bei denen eine, zwei und/oder alle drei Dimensionen (Raumrichtungen) im Nanobereich liegen und die elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweisen. Die Nanopartikel können verschiedene Formen aufweisen. Beispielsweise können sie als flächige Partikel, in Röhrenform, in Stabform, als Bänder oder auch als sphärische Partikel vorliegen. Beispielsweise können die elektrisch leitfähigen Nanopartikel Graphene, Kohlenstoff Nanobänder (carbon nano ribbons), CNTs oder metallische Partikel, z.B. Silberpartikel, oder leitfähige Keramiken sein. Accordingly, the present invention relates to a process that makes it possible to produce polymer composites with a high weight content of electrically conductive fillers. The electrically conductive fillers are nanoparticles in the present invention. The term "electrically conductive nanoparticles" in the present context is to be understood as meaning that in principle all particles can fall in which one, two and / or all three dimensions (spatial directions) are in the nanoscale and have electrically conductive properties. The nanoparticles can have different shapes. For example, they can be present as flat particles, in tubular form, in rod form, as bands or as spherical particles. For example, the electrically conductive nanoparticles may include graphenes, carbon nanofibres, CNTs, or metallic particles, e.g. Silver particles, or conductive ceramics.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden als elektrisch leitfähige Partikel bevorzugt Kohlenstoff-Nanoröhren (engl. CNTs, carbon nanotubes), nachfolgend auch bezeichnet als „CNTs“, verwendet. Unter einem „hohen Gewichtsanteil“ an Nanopartikeln bzw. CNTs werden hier Gewichtsanteile von > 20 Gew.-% verstanden, die sich mit den bekannten Dispersions- und Komposit-Herstellungsverfahren aus dem Stand der Technik unter Verwendung, beispielsweise einer elastomeren und/oder duromeren Polymermatrix, nur sehr schwer oder gar nicht herstellen lassen. Erfindungsgemäß können Gewichtsanteile der Nanofüllstoffe > 50 Gew.-% erreicht werden.In the context of the present invention, the electrically conductive particles used are preferably carbon nanotubes (CNTs, also referred to as "CNTs"). A "high proportion by weight" of nanoparticles or CNTs is understood here to mean weight fractions of> 20% by weight, which are obtained using the known prior art dispersion and composite preparation processes using, for example, an elastomeric and / or duromeric polymer matrix , very difficult or impossible to produce. According to the invention, proportions by weight of the nanofillers> 50% by weight can be achieved.

Es wurde weiterhin gefunden, dass die mit dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Polymerkomposite eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die deutlich höher liegt als bei bislang erzeugten derartigen Polymerkompositen. Unter „sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit“ werden erfindungsgemäß elektrische Leitfähigkeiten verstanden, die weit oberhalb der durch eine Dispergierung von Nanopartikeln in Polymermedien erhaltenen Werte liegen. Bislang sind keine Verfahren bekannt geworden, die rein CNT-haltige Polymerkomposite mit einer elektrischen Leitfähigkeit > 50 S/m herstellen konnten. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr erstmals möglich.It has also been found that the polymer composites which can be prepared by the process of the invention have a very high electrical conductivity, which is significantly higher than with previously produced such polymer composites. By "very high electrical conductivity" is meant, according to the invention, electrical conductivities which are far above the values obtained by dispersing nanoparticles in polymer media. So far, no methods have become known that could produce purely CNT-containing polymer composites with an electrical conductivity> 50 S / m. This is now possible for the first time with the method according to the invention.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Polymerkomposite sind in der Regel flächige Gebilde, bevorzugt in Form von Filmen oder Platten ausgebildet. Die polymere Matrix ist bevorzugt im Wesentlichen aus vernetzbaren Polymeren, wie beispielsweise Duromeren und/oder Elastomeren, sowie einem definierten Anteil an Nanopartikeln, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren, aufgebaut. Die Grundfläche dieser flächigen Gebilde ist nicht begrenzt und wird lediglich durch die Abmessungen der eingesetzten Herstellungsvorrichtung vorgegeben. Die Dicke des hergestellten Polymerkomposites liegt in der Regel im Bereich von etwa 100 µm bis zu einigen Millimetern, kann aber in Einzelfällen auch über- oder unterschritten werden.The polymer composites which can be prepared by the process according to the invention are generally sheet-like structures, preferably in the form of films or plates. The polymeric matrix is preferably composed essentially of crosslinkable polymers, such as duromers and / or elastomers, and a defined proportion of nanoparticles, in particular carbon nanotubes. The base of this flat structure is not limited and is only specified by the dimensions of the manufacturing device used. The thickness of the polymer composite produced is generally in the range of about 100 microns to a few millimeters, but in individual cases can also be exceeded or fallen below.

Vorteilhafterweise kann das vorliegende Verfahren der Erfindung ohne zusätzliche Aufbereitungsverfahren, Vorbehandlungsschritte oder Mischprozesse der Nanopartikel bzw. CNT-Nanofüllstoffe durchgeführt werden.Advantageously, the present process of the invention can be carried out without additional treatment processes, pretreatment steps or mixing processes of the nanoparticles or CNT nanofillers.

Die Herstellung der Polymerkomposite erfolgt erfindungsgemäß anders als im Stand der Technik ohne ein Einmischverfahren und vermeidet somit die hierdurch auftretenden Probleme, die generell bei Dispergierverfahren aufgrund der zu starken Viskositätszunahme und den technisch vorgegebenen Grenzen resultieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Abstände zwischen den Nanopartikeln bzw. Kohlenstoffröhren weiter zu verringern, als dies bei einer mechanisch zwangfreien Infiltration mit einem Polymer erfolgen kann. Durch das spezielle Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine zusätzliche Kompression von Nanopartikeln möglich. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine praktisch vollständige Füllung der Zwischenräume zwischen den Nanopartikeln bis zu Zwischenräumen im Nanometer-Bereich.According to the invention, the preparation of the polymer composites is carried out differently than in the prior art without a mixing-in process and thus avoids the problems that arise as a result of dispersing processes due to the excessive increase in viscosity and the technically predetermined limits. The inventive method allows the distances between the Nanoparticles or carbon tubes to reduce further than can be done in a mechanically forcing infiltration with a polymer. The special method of the present invention enables additional compression of nanoparticles. Furthermore, the inventive method allows a virtually complete filling of the interstices between the nanoparticles to interstices in the nanometer range.

Die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nachfolgend im Einzelnen erläutert werden:
In Verfahrensschritt (1) werden Agglomerate aus Nanopartikeln, insbesondere CNT-Agglomerate, bereitgestellt. Diese Agglomerate sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht weiter beschränkt. Hierunter wird grundsätzlich jede Anhäufung oder Zusammenballung von Nanopartikeln verstanden, in der Nanopartikel bzw. Kohlenstoff-Nanoröhren zur Verfügung gestellt werden können. In der Regel besteht ein Agglomerat aus einer Vielzahl (z.B. im Millionenbereich) von einzelnen Nanopartikeln. Von den einzelnen Agglomeraten wird in Schritt (1) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wiederum eine Vielzahl zur Verfügung gestellt. The individual process steps of the process according to the invention will be explained in detail below:
In process step ( 1 ) provide agglomerates of nanoparticles, especially CNT agglomerates. These agglomerates are not further limited in the context of the present invention. This basically refers to any accumulation or aggregation of nanoparticles in which nanoparticles or carbon nanotubes can be made available. As a rule, an agglomerate consists of a large number (eg in the millions) of individual nanoparticles. Of the individual agglomerates, in step ( 1 ) in turn provided a plurality according to the inventive method.

In der Regel werden die Nanopartikel innerhalb eines Agglomerats in ungeordneter Ausrichtung vorliegen. Insbesondere CNTs eines Agglomerats sind häufig ineinander verschlungen (entangled), ähnlich der einzelnen Baumwollfasern innerhalb eines Wattebausches. Grundsätzlich können die Nanopartikel innerhalb eines Agglomerats jedoch auch in geordneter Ausrichtung, beispielsweise als uniform ausgerichtete Laminatstruktur, vorliegen. Die Agglomerate liegen häufig in Pulverform vor.Typically, the nanoparticles will be in disordered alignment within an agglomerate. In particular, CNTs of an agglomerate are often entangled, similar to the individual cotton fibers within a cotton swab. In principle, however, the nanoparticles within an agglomerate can also be present in an ordered orientation, for example as a uniformly oriented laminate structure. The agglomerates are often in powder form.

Die Nanopartikel können dabei entweder nach einem der bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt werden oder können aus einer kommerziell erhältlichen Quelle bezogen und eingesetzt werden. Die bekannten CNTs sind beispielsweise einwandige CNTs (SWCNTs, engl. single-walled carbon nanotube) oder mehrwandige CNTs (MWNTs, engl. multi-walled nanotubes) oder können auch Mischungen dieser darstellen. Die CNTs im eingesetzten Agglomerat können geordnet oder ungeordnet sein, d.h. diese weisen eine Orientierung in eine Vorzugsrichtung auf oder sind statistisch verteilt angeordnet. Die CNTs können in Form von verschlauften („entangled“) oder unverschlauften („non-entangled“) Agglomeraten verwendet werden.The nanoparticles can either be prepared by one of the known processes of the prior art or can be obtained from a commercially available source and used. The known CNTs are, for example, single-walled CNTs (SWCNTs, single-walled carbon nanotubes) or multi-walled CNTs (MWNTs, or multi-walled nanotubes) or can also be mixtures of these. The CNTs in the agglomerate employed may be ordered or disordered, i. these have an orientation in a preferred direction or are arranged statistically distributed. The CNTs can be used in the form of entangled or non-entangled agglomerates.

Es kann jede Art von herstellbaren oder kommerziell erhältlichen Kohlenstoff-Nanoröhren von beliebiger Struktur zum Einsatz kommen. Beispielsweise kommerziell erhältliche CNTs sind Baytubes^® Bayer Material Science, wobei es sich hierbei um mehrwandige CNTs (MWNTs, engl. multi-walled nanotubes) handelt. Auch können jede Art von kommerziell erhältlichen, sonstigen Nanopartikeln verwendet werden.Any type of manufacturable or commercially available carbon nanotube of any structure can be used. For example, commercially available CNTs are Baytubes ^® Bayer Material Science, wherein this is multi-walled CNTs (MWNTs, engl. Multi-walled nanotubes) is. Also, any type of commercially available other nanoparticles can be used.

In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Nanopartikel bzw. Kohlenstoff-Nanoröhren zwar unabhängig vom Herstellungsverfahren eingesetzt werden können, dass aber die genaue Zusammensetzung und Struktur des eingesetzten Materials sich auf die elektrische Leitfähigkeit des Polymerkomposites auswirken kann.In this context, it should be noted that although the nanoparticles or carbon nanotubes can be used independently of the manufacturing process, the exact composition and structure of the material used can affect the electrical conductivity of the polymer composite.

Für die im Agglomerat vorliegenden Nanopartikel gibt es ebenfalls keinerlei Beschränkung. Diese können unmittelbar nach dem Herstellungsverfahren eingesetzt werden oder können weiteren Behandlungs- und/oder Reinigungsverfahren unterzogen werden. Beispielsweise können die Nanopartikel chemisch modifiziert oder beschichtet werden, um diesen zusätzliche Funktionen oder Eigenschaften zu verleihen. Dies ist jedoch weniger bevorzugt.There is likewise no restriction for the nanoparticles present in the agglomerate. These can be used immediately after the production process or can be subjected to further treatment and / or purification processes. For example, the nanoparticles can be chemically modified or coated to impart additional functions or properties. However, this is less preferred.

Normalerweise wird pro Polymerkomposit jeweils nur eine Sorte Nanopartikel vorgesehen. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine Verwendung verschiedener Nanopartikel in einem Polymerkomposit möglich.Normally, only one type of nanoparticles is provided per polymer composite. In principle, however, it would also be possible to use different nanoparticles in a polymer composite.

Ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber bekannten Verfahren liegt darin, dass die kommerziell erhältlichen Nanopartikel in der Regel als ungeordnete Agglomerate vorliegen, und diese mit dem vorliegenden Verfahren ohne weitere Vorbehandlung verwendet werden können. Dagegen müssen bei bekannten Verfahren die einzelnen Agglomerate häufig erst entwirrt bzw. geordnet ausgerichtet werden (detangled). A significant advantage of the present invention over known processes is that the commercially available nanoparticles are typically present as disordered agglomerates and can be used with the present process without further pretreatment. In contrast, in known processes, the individual agglomerates often have to be unraveled or arranged in an orderly manner (detangled).

In Schritt (2) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die hergestellten oder erworbenen Agglomerate in eine semipermeable Membran eingepackt, so dass die Agglomerate vollständig von der Membran umhüllt sind. Die semipermeable Membran ist zweckmäßigerweise flexibel ausgestaltet.In step ( 2 ) of the process according to the invention, the produced or acquired agglomerates are packed in a semipermeable membrane, so that the agglomerates are completely enveloped by the membrane. The semipermeable membrane is expediently made flexible.

Der Begriff „Membran“ soll erfindungsgemäß möglichst weitgefasst verstanden werden, im Sinne eines Filters. Das Material der Membran ist dabei zweckmäßig derart ausgestaltet, dass diese um das Agglomerat herum gefaltet werden kann, d.h. die Membran ist in ausreichendem Maße flexibel, um gefaltet werden zu können. Weiterhin ist die Membran halbdurchlässig (semipermeabel), so dass das/die Polymer/e durch die Membran hindurch treten kann/können, aber die Nanopartikel von der Membran zurückgehalten werden. Die Membran könnte daher als selektiv permeabel bezeichnet werden, da nur bestimmte Komponenten durchgelassen werden, wohingegen andere Komponenten selektiv blockiert werden. Weiterhin ist die Membran für die ausgewählten Komponenten – im vorliegenden Fall ein oder mehrere Polymere, die sich vorzugsweise in Lösung befinden, – in beiden Richtungen durchlässig (bidirektional) und nicht nur in einer Richtung (unidirektional). Hierdurch können Polymere von außerhalb der Membran, beispielsweise aus einem Polymerbad, durch die Membran zu den Agglomeraten gelangen oder in umgekehrter Richtung von den Agglomeraten durch die Membran nach außen.The term "membrane" is to be understood as broadly as possible according to the invention, in the sense of a filter. The material of the membrane is expediently designed such that it can be folded around the agglomerate, ie the membrane is sufficiently flexible to be folded. Furthermore, the membrane is semipermeable so that the polymer (s) can pass through the membrane but the nanoparticles are retained by the membrane. The membrane could therefore be said to be selectively permeable because only certain components are allowed to pass through, whereas other components are selectively blocked. Furthermore, the membrane for the selected components - in the present case, one or more polymers, which are preferably in solution, - in both directions permeable (bidirectional) and not only in one direction (unidirectional). This allows polymers from outside the membrane, for example from a polymer bath, to pass through the membrane to the agglomerates or in the reverse direction from the agglomerates through the membrane to the outside.

Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Membran ist deren Saugfähigkeit, so dass die Membran beim Tränken der Agglomerate ebenfalls Polymer aufnehmen und später wieder abgeben kann.Another preferred property of the membrane is its absorbency, so that the membrane also absorb polymer during impregnation of the agglomerates and can later release again.

Besonders bevorzugt wird das Einpacken aus Verfahrensschritt (2) mit den nachfolgenden Schritten durchgeführt:

• a) Platzieren der Agglomerate, insbesondere mittig, auf einer Membran mit bevorzugt viereckiger, insbesondere quadratischer Form;
• b) aufeinanderfolgendes Umklappen und Falten sämtlicher Seitenflächen der Membran auf die Agglomerate.

Particular preference is given to packaging from process step ( 2 ) with the following steps:

• a) placing the agglomerates, in particular in the center, on a membrane having a preferably quadrangular, in particular square shape;
• b) successively folding and folding all side surfaces of the membrane on the agglomerates.

Das Einpacken der Agglomerate erfolgt erfindungsgemäß in ähnlicher Weise wie beim Verpacken eines Geschenks in Geschenkpapier, jedoch vorzugsweise mit möglichst exakter Überlappung der aufeinander gefalteten Teile:
Das Agglomerat wird in der Mitte der Membran angeordnet und dann werden die 4 Seitenflächen der Membran auf das Agglomerat umgeklappt und hierauf gefaltet, so dass das Agglomerat vollständig von der Membran umgeben wird. Bevorzugt werden jeweils die einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Membran paarweise aufeinander gefaltet. Besonders bevorzugt sind die Abmessungen der Membran so gewählt, dass die Membran das Agglomerat nach dem Einpacken möglichst passgenau umgibt, ohne Falten, abstehende Ränder und Kanten und ohne zu hohe Spannung und Druck auf das Agglomerat auszuüben. Die Membran kann verschiedene Formen und Größen aufweisen, dies hängt von der Form und Größe der zu verpackenden Agglomerate ab. Bevorzugte Formen sind viereckig, insbesondere quadratisch, andere Formen sind ebenfalls möglich. Die Membran dient hierbei als geometrische Begrenzung für die Agglomerate.The packing of the agglomerates according to the invention in a similar manner as in the packaging of a gift in wrapping paper, but preferably with the most accurate overlap of the folded parts:
The agglomerate is placed in the center of the membrane and then the 4 side faces of the membrane are folded over onto the agglomerate and folded thereon, so that the agglomerate is completely surrounded by the membrane. Preferably, the opposing side surfaces of the membrane are folded in pairs on each other. Particularly preferably, the dimensions of the membrane are chosen so that the membrane surrounds the agglomerate after packing as accurately as possible, without exerting wrinkles, protruding edges and edges and without excessive tension and pressure on the agglomerate. The membrane may have various shapes and sizes, depending on the shape and size of the agglomerates to be packaged. Preferred shapes are square, in particular square, other shapes are also possible. The membrane serves as a geometric boundary for the agglomerates.

Die Wahl des Materials der Membran ist im Rahmen der Erfindung nicht besonders beschränkt, sofern es die erfindungsgemäßen Anforderungen erfüllt. Eine beispielhafte Membran ist ausgewählt aus Filterpapier, Filz, Gewebe oder Gewirke, beispielsweise insbesondere Mineral-, Glas-, keramische- oder Kohlenstoff-Gewebe, Filze, Gewirke und -Naturfasern.The choice of the material of the membrane is not particularly limited in the context of the invention, provided that it meets the requirements of the invention. An exemplary membrane is selected from filter paper, felt, woven or knitted fabrics, for example, in particular, mineral, glass, ceramic or carbon fabrics, felts, knits and natural fibers.

Nach dem Einpacken der Agglomerate in die Membran kann die Membran zusätzlich fixiert oder befestigt werden. Hierfür eignet sich ein einfach anzubringendes und wieder einfach zu entfernendes Befestigungsmittel. Beispielsweise kann eine Klammer, Spange oder ein Clip hierfür eingesetzt werden. Das Befestigungsmittel hält die Membran dann während des nachfolgenden Tränkens mit Polymer an Ort und Stelle. After packing the agglomerates in the membrane, the membrane can be additionally fixed or attached. For this purpose, an easy to install and easy to remove fastener is suitable. For example, a clip, clip or clip can be used for this purpose. The fastener then holds the membrane in place during subsequent impregnation with polymer.

Im nachfolgenden Verfahrensschritt (3) werden die in Schritt (2) erhaltenen in einer Membran verpackten Agglomerate mit einer Lösung getränkt. Die Lösung weist ein oder mehrere Polymere und/oder deren Ausgangskomponenten, vorzugsweise gelöst in einem oder mehreren Lösungsmitteln, auf. Das oder die ausgewählten Polymere stellen im fertiggestellten Polymerkomposit die Polymermatrix dar, in der die Nanopartikel eingebettet vorliegen.In the subsequent process step ( 3 ) in step ( 2 ) impregnated in a membrane agglomerates impregnated with a solution. The solution comprises one or more polymers and / or their starting components, preferably dissolved in one or more solvents. The polymer (s) selected represent in the finished polymer composite the polymer matrix in which the nanoparticles are embedded.

Das Polymer oder die Mischung von mehreren Polymeren sind erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, es kann aus einer großen Reihe von möglichen Polymeren ausgewählt werden. Besonders bevorzugt sind Duromere und/oder Elastomere. Duromere, auch als Duroplaste bezeichnet, bilden eine von drei Gruppen, in die man Polymere einteilt. Je nach dem Vernetzungsgrad unterscheidet man gemäß den makromolekularen Hauptketten nach Duroplasten, Thermoplasten und Elastomeren. Während die Thermoplaste keine Vernetzungsstellen aufweisen und daher aufschmelzbar sind, können Elastomere und Duroplaste aufgrund ihrer Vernetzung nicht aufgeschmolzen werden und zerfallen nach Überschreiten der Zersetzungstemperatur durch Pyrolyse. Bekannte Duroplaste sind beispielsweise Epoxidharze, Aminoplaste, Phenoplaste, vernetzte Polyacrylate und weitere vernetzte Polymere, wie Polyurethane. Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, die sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, aber wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurückgehen. Elastomere finden Verwendung als Material für Reifen, Gummibänder, Dichtungsringe und sind beispielsweise Polyisoprene, Butadiene, wie Styrolbutadien, Ethylenpropylengummis, wie EPDM, Polyacryl-Gummis, Silikongummis, Polyetherblockamide, Fluorelastomere und Perfluorelastomere.The polymer or mixture of a plurality of polymers is not particularly limited in the present invention, it can be selected from a wide range of possible polymers. Particular preference is given to thermosets and / or elastomers. Duromers, also referred to as thermosets, form one of three groups into which polymers are classified. Depending on the degree of crosslinking, a distinction is made according to the macromolecular main chains for thermosets, thermoplastics and elastomers. While the thermoplastics have no crosslinking points and therefore are meltable, elastomers and thermosets can not be melted due to their crosslinking and disintegrate after exceeding the decomposition temperature by pyrolysis. Known thermosets are, for example, epoxy resins, aminoplasts, phenoplasts, crosslinked polyacrylates and other crosslinked polymers, such as polyurethanes. Elastomers are dimensionally stable, but elastically deformable plastics that deform elastically under tensile and compressive loading, but return to their original shape. Elastomers find use as material for tires, rubber bands, sealing rings and are for example polyisoprenes, butadienes such as styrene butadiene, ethylene propylene rubbers such as EPDM, polyacrylic rubbers, silicone rubbers, polyether block amides, fluoroelastomers and perfluoroelastomers.

Als beispielhafte Polymere, die als Matrixsystem eingesetzt werden können, seien die Nachfolgenden genannt, ohne dass die erfindungsgemäß eingesetzten Polymere hierauf beschränkt sein sollen:
Eine erste Gruppe an bevorzugten Polymeren sind Epoxidharze, bevorzugt solche abgeleitet von:
Polyen-(z.B. Dicyclopentadien, Norbornadien, Vinylcyclohexan)-dioxiden; Glycidylether von multifunktionalen Alkoholen oder Bisphenolen (z.B. Glycerin, 1-4-Butandiol, Poly(ethylenglykol), Poly(propylenglykol), Bisphenol A, Bisphenol F, Bisphenol C) oder eine Kombination dieser.The following may be mentioned as exemplary polymers which can be used as the matrix system, without the polymers used according to the invention being restricted thereto:
A first group of preferred polymers are epoxy resins, preferably those derived from:
Polyene (eg, dicyclopentadiene, norbornadiene, vinylcyclohexane) dioxides; Glycidyl ethers of multifunctional alcohols or bisphenols (eg glycerol, 1-4-butanediol, poly (ethylene glycol), poly ( propylene glycol), bisphenol A, bisphenol F, bisphenol C) or a combination of these.

Bevorzugt werden die Epoxidharze unter Zugabe von Härtern eingesetzt, die besonders bevorzugt ausgewählt sind aus Aminhärtern oder anderen Härtern. The epoxy resins are preferably used with the addition of hardeners, which are particularly preferably selected from amine hardeners or other hardeners.

Die Aminhärter sind bevorzugt abgeleitet von:
aliphatischen polyfunktionalen Aminen (z.B. Triethylentetramin), Polyaminen, Polyether oder Polysiloxane mit endständigen Aminopropyl- oder Aminoethyl-Gruppen, oder
funktionalisierten Diaminen (z.B. 1,3-Diaminoisopropanol).The amine hardeners are preferably derived from:
aliphatic polyfunctional amines (eg triethylenetetramine), polyamines, polyethers or aminopropyl or aminoethyl-terminated polysiloxanes, or
functionalized diamines (eg 1,3-diaminoisopropanol).

Andere bevorzugt einsetzbare Härter sind beispielsweise:
Polycyclische Anhydride (z.B. Pyromellitdianhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid).Other preferably usable hardeners are, for example:
Polycyclic anhydrides (eg, pyromellitic dianhydride, hexahydrophthalic anhydride, succinic anhydride, maleic anhydride).

Hierbei bevorzugt eingesetzte Additive werden zum Beispiel ausgewählt aus:
Aminoalkyltrimethoxysilanen; Epoxyalkyltrimethoxysilanen oder Isocyanatoalkyltrimethoxysilanen.Preferred additives used here are selected, for example, from:
Aminoalkyltrimethoxysilanen; Epoxyalkyltrimethoxysilanes or isocyanatoalkyltrimethoxysilanes.

Eine zweite Gruppe an bevorzugten Polymeren sind Silikongummis. Diese werden vorzugsweise abgeleitet von
Methylvinylsiloxanoligomeren und -Copolymeren und Methyl-, Hydridosiloxanoligomeren, gehärtet bei Temperaturen im Bereich von 25°C bis zu 150°C; Silanol-terminiertem PDMS und Tetraalkoxysilanen oder Aryl- oder Alkyltrialkoxysilanen oder Mischungen dieser Silane;
Acryloxy-terminiertem PDMS und polycyclischen Aminen;
Bis(3-aminopropyl)-terminiertem PDMS und multifunktionalen Polyolacrylaten (z.B. Pentaerythritoltriacrylat oder Dipentaerythritolpenta-/hexaacrylat) oder Diglycidyl-terminiertem PDMS und multifunktionalen Aminen.A second group of preferred polymers are silicone gums. These are preferably derived from
Methylvinylsiloxane oligomers and copolymers and methyl, hydridosiloxane oligomers cured at temperatures ranging from 25 ° C up to 150 ° C; Silanol-terminated PDMS and tetraalkoxysilanes or aryl or alkyltrialkoxysilanes or mixtures of these silanes;
Acryloxy-terminated PDMS and polycyclic amines;
Bis (3-aminopropyl) -terminated PDMS and multifunctional polyol acrylates (eg, pentaerythritol triacrylate or dipentaerythritol penta- / hexa-acrylate) or diglycidyl-terminated PDMS and multifunctional amines.

Das Tränken der Agglomerate wird gemäß Schritt (3) bevorzugt in einem Polymerbad durchgeführt, welches das oder die Polymere vorzugsweise in ein oder mehreren Lösungsmitteln gelöst aufweist. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Wasser oder organische Lösungsmittel. Grundsätzlich kann Schritt (3) jedoch auch mit lösungsmittelfreiem Polymer durchgeführt werden. Auch kann das Polymer in Schritt (3) in vernetzten oder noch unvernetzten Zustand vorliegen. Im letzteren Fall würde in Schritt (3) zusätzlich ein geeignete Härterkomponente hinzugefügt.The impregnation of the agglomerates is carried out according to step ( 3 ) is preferably carried out in a polymer bath, which preferably has the polymer or polymers dissolved in one or more solvents. Suitable solvents are, for example, water or organic solvents. Basically, step ( 3 ) but also be carried out with solvent-free polymer. Also, in step ( 3 ) in crosslinked or still uncrosslinked state. In the latter case, in step ( 3 ) additionally added a suitable hardener component.

Besonders bevorzugt werden die Agglomerate bei einer Temperatur oberhalb Raumtemperatur, bevorzugt im Bereich von etwa 30 bis etwa 70°C, bevorzugter etwa 40 bis etwa 60°C und gegebenenfalls unter Einsatz von Vakuum in ein Polymerbad eingetaucht. Es sind auch höhere Temperaturen je nach Polymersystem denkbar. Die Dauer hängt von der Art und dem Aufbau der Agglomerate, der Zusammensetzung des Bads und der gewählten Temperatur ab. Der Einsatz von Vakuum ist besonders vorteilhaft, da hierdurch ein Entgasen der Agglomerate erreicht werden kann. In der Lösung zeigt eine Entwicklung und das Aufsteigen von Luftblasen an, dass das Polymer oder die Polymeren aus der Lösung vorhandene Luft effizient verdrängen und ersetzen. More preferably, the agglomerates are immersed in a polymer bath at a temperature above room temperature, preferably in the range of about 30 to about 70 ° C, more preferably about 40 to about 60 ° C, and optionally, using vacuum. There are also higher temperatures depending on the polymer system conceivable. The duration depends on the type and structure of the agglomerates, the composition of the bath and the selected temperature. The use of vacuum is particularly advantageous because it allows degassing of the agglomerates can be achieved. In the solution, evolution and rising of air bubbles indicates that the polymer or polymers are efficiently displacing and replacing air from the solution.

Die Membran, in die die Agglomerate eingepackt sind, lässt aufgrund der semipermeablen Ausgestaltung zu, dass das oder die Polymere, die sich im Polymerbad in Lösung befinden, zu den Agglomeraten gelangen können, aber die Nanopartikel aus dem Agglomerat nicht austreten und in die Lösung wandern können.The membrane in which the agglomerates are packaged, because of the semipermeable design, allows the polymer (s) in solution in the polymer bath to pass to the agglomerates, but the nanoparticles from the agglomerate do not escape and migrate into the solution can.

Nach dem Bad kann das gegebenenfalls vorhandene Befestigungsmittel wieder entfernt werden.After the bath, the optionally existing fastener can be removed again.

Im anschließenden Verfahrensschritt (4) werden die aus dem Polymerbad herausgenommene, in Membran eingepackten Agglomerate einem Pressen unterzogen. Geeigneterweise wird hier beispielsweise eine Hydraulikpresse eingesetzt. Ein Druck im Bereich von > 10MPa bis zu mehreren Hundert MPa ist je nach Auswahl der Ausgangsmaterialien zweckmäßig. Das Pressen erfolgt vorzugsweise unter Verwendung von Wärme bei einer Temperatur oberhalb von Raumtemperatur. Eine bevorzugt eingesetzte Temperatur liegt im Bereich von etwa Raumtemperatur bis etwa 200˚C, besonders bevorzugt Raumtemperatur bis 100˚C, insbesondere 70 bis 90˚C.In the subsequent process step ( 4 ), taken out of the polymer bath, packed in membrane agglomerates are subjected to pressing. Suitably, for example, a hydraulic press is used here. A pressure in the range of> 10 MPa up to several hundred MPa is appropriate depending on the selection of the starting materials. The pressing is preferably carried out using heat at a temperature above room temperature. A preferred temperature is in the range of about room temperature to about 200 ° C., more preferably room temperature to 100 ° C., especially 70 to 90 ° C.

Beim Pressen wirkt die vorhandene semipermeable Membran in mehrfacher Hinsicht auf die Agglomerate: So wird durch den eingesetzten Druck bewirkt, dass das/die Polymer/e aus den Agglomeraten herausgedrückt wird/werden. Überschüssiges Polymer kann durch den ausgeübten Druck aus den Agglomeraten austreten und durch die Membran hindurch nach außen befördert werden. Die Membran wirkt in diesem Fall als Abführsystem. During pressing, the existing semipermeable membrane acts on the agglomerates in several respects: Thus, the pressure used causes the polymer (s) to be forced out of the agglomerates. Excess polymer can escape from the agglomerates by the applied pressure and be conveyed out through the membrane. The membrane acts in this case as a discharge system.

Besonders bevorzugt ist die Membran ebenfalls saugfähig ausgestaltet, so dass das zuvor beim Tränken, vorzugsweise in einem Polymerbad, aufgenommene Polymer durch Einsatz von Druck auch aus der Membran freisetzt werden kann. Die Membran dient dann als zusätzliche Polymerquelle und -reserve und gibt unter Druck das oder die Polymeren an die Agglomerate ab. Durch die an der Membran anliegenden Flächen des Presswerkzeugs, d.h. oberhalb und unterhalb des eingepackten Agglomerats, wird somit eine Infiltration des/der Polymers/Polymere in Richtung parallel zur Pressrichtung erzwungen und wirkt praktisch als „Polymerfalle“. Gleichzeitig ist ein Abfließen von überschüssigem Polymer nach außen, senkrecht zur Pressrichtung zwischen den anliegenden Flächen des Presswerkzeugs, möglich. Die Membran dient daher vorzugsweise gleichzeitig als Polymerspeicher und/oder Polymerquelle zur Aufnahme und/oder Abgabe der Polymeren.Particularly preferably, the membrane is also designed to be absorbent, so that the previously absorbed in the impregnation, preferably in a polymer bath, polymer can be released by the use of pressure from the membrane. The membrane then serves as an additional polymer source and reserve and releases the polymer or polymers to the agglomerates under pressure. As a result of the surfaces of the pressing tool lying against the membrane, ie above and below the packed-in agglomerate, an infiltration of the polymer (s) in the direction parallel to the pressing direction thus occurs enforced and acts practically as a "polymer trap". At the same time, outflow of excess polymer to the outside, perpendicular to the pressing direction between the adjoining surfaces of the pressing tool, is possible. The membrane therefore preferably serves at the same time as a polymer reservoir and / or polymer source for receiving and / or delivering the polymers.

Somit dient die Membran vorzugsweise in gleicher Weise als Aufnahmeund/oder Abgabesystem für die bereits mit Polymer vorgetränkten Nanopartikel, beispielsweise in Form von CNTs, und stellt damit eine vollständige Polymerdurchtränkung bei Durchführung des Verfahrens sicher.Thus, the membrane preferably serves in the same way as a recording and / or delivery system for the nanoparticles already impregnated with polymer, for example in the form of CNTs, and thus ensures complete polymer penetration when carrying out the process.

Zusätzlich können die verpackten Agglomerate vor dem Verpressen in eine Pressform eingelegt werden. Dies kann auch schon in Schritt (2) oder (3) erfolgen. Eine solche Pressform stützt insbesondere die Seitenflächen der Membran über die das Polymer herausgedrückt wird, beispielsweise die nicht an den Stempelflächen der Presse anliegenden Bereiche der Membran, ab. Dies verhindert, dass die Membran in diesen Bereichen (in denen die größten Zugkräfte auf die Membran wirken) reißt, bzw. es erlaubt, dass größere Drücke beim Verpressen aufgebracht werden können und/oder dass größere Abmessungen in der Dickendimension ermöglicht werden. In der Form sind Abführmittel, beispielsweise in Form von Öffnungen oder Kanälen, vorzusehen, durch die das herauszupressende Polymer abgeführt werden kann.In addition, the packaged agglomerates can be placed in a mold before being pressed. This can already be done in step ( 2 ) or ( 3 ) respectively. Such a mold in particular supports the side surfaces of the membrane over which the polymer is forced out, for example, the regions of the membrane which are not in contact with the stamp surfaces of the press. This prevents the membrane from rupturing in those areas (where the greatest tensile forces act on the membrane), or allowing larger pressures to be applied during compression and / or allowing larger dimensions in the thickness dimension. In the form of laxatives, for example in the form of openings or channels to provide, through which the herauszupressende polymer can be removed.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens gelangt das Polymer oder die Polymere daher ohne weiteres zwischen die einzelnen Nanopartikel und sorgt so für besonders gute Durchdringung und homogene Auffüllung bis zu den kleinsten Zwischenräumen im Nanometer-Bereich. Insbesondere durch das Auspressen unter Verwendung einer semipermeablen Membran ergibt sich eine extrem effiziente Verfüllung der Zwischenräume zwischen den Nanopartikeln. Im Fall von Kohlenstoff-Nanoröhren können auch die Kanäle innerhalb der einzelnen Röhren ebenfalls durch Polymer ausgefüllt werden. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein, wobei die Röhren dann unverfüllt bleiben.Due to the inventive design of the method, the polymer or polymers therefore readily between the individual nanoparticles and thus ensures particularly good penetration and homogeneous filling up to the smallest gaps in the nanometer range. In particular, by pressing out using a semipermeable membrane results in an extremely efficient filling of the interstices between the nanoparticles. In the case of carbon nanotubes, the channels within the individual tubes can also be filled by polymer. However, this need not necessarily be the case, the tubes then remain unfilled.

Die semipermeable Membran wirkt weiterhin als Barriere für die zu verdichtenden Nanopartikel, beispielsweise in Form der CNTs, d.h. es erfolgt während der Kompression eine Abfuhr von überflüssigem Polymer, um hohe Gewichtsanteile an Nanopartikeln zu ermöglichen.The semipermeable membrane also acts as a barrier to the nanoparticles to be densified, for example in the form of the CNTs, i. There is a discharge of superfluous polymer during compression to allow high weight fractions of nanoparticles.

Das Verfahren der Erfindung verwendet, anders als der bislang bekannte Stand der Technik, einen flächigen Kontakt zur Aufbringung der mechanischen Kraft auf die mit Polymer, bevorzugt Duromer-/Elastomersystem oder auch Thermoplast, getränkten Nanopartikel, die in einer semipermeablen Membran verpackt sind.Unlike the hitherto known prior art, the method of the invention uses a planar contact for applying the mechanical force to the nanoparticles impregnated with polymer, preferably duromer / elastomer system or even thermoplastic, which are packed in a semipermeable membrane.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der Presse und den eingepackten Agglomeraten eine Trennschicht zur einfacheren Ablösung vom Presswerkzeug vorgesehen werden.According to a further preferred embodiment, a separating layer for easier detachment from the pressing tool can be provided between the press and the packed agglomerates.

Schließlich werden die mit Polymer entsprechend durchtränkten Agglomerate zweckmäßigerweise unter Druck ausgehärtet. Hierbei werden Druck und Anwendungsdauer derart eingestellt, dass die gewünschte Dicke und der geeignete Aushärtungsgrad erreicht werden. Die Auswahl der einzelnen Parameter hängt von den eingesetzten Agglomeraten, dem ausgewählten Polymermatrix-System, dem/den verwendeten Lösungsmittel/n sowie dem gewünschten Einsatzzweck ab. Diese Parameter kann ein Fachmann aus dem Stand der Technik ohne weiters auswählen und einstellen. Anhand einiger orientierender Versuche ist es ohne weiteres möglich eine optimierte Vorgehensweise zu bestimmen.Finally, the polymer-impregnated agglomerates are expediently cured under pressure. Here, the pressure and duration of use are adjusted so that the desired thickness and the appropriate degree of cure can be achieved. The selection of the individual parameters depends on the agglomerates used, the selected polymer matrix system, the solvent (s) used and the desired application. These parameters can readily be selected and adjusted by a person skilled in the art. On the basis of some orienting experiments it is easily possible to determine an optimized procedure.

Zur Senkung der Viskositäten der verwendeten Polymersysteme, insbesondere Duromer/Elastomersysteme oder auch Thermoplaste, kann zusätzlich eine Beheizung und/oder chemische Modifikation und/oder eine Verdünnung des noch nicht vollständig gehärteten Polymers mit Lösemitteln erfolgen. Eine definierte Kompositgeometrie wird durch eine teilweise- oder vollständige Polymerisation innerhalb der eingesetzten Vorrichtung sichergestellt.In order to reduce the viscosities of the polymer systems used, in particular duromer / elastomer systems or thermoplastics, heating and / or chemical modification and / or dilution of the not yet fully cured polymer with solvents can additionally take place. A defined composite geometry is ensured by a partial or complete polymerization within the device used.

Nach dem Aushärten wird die Membran zweckmäßigerweise entfernt und der hergestellte Polymerkomposit erhalten.After curing, the membrane is expediently removed and the polymer composite produced is obtained.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise gelingt es die Nanopartikel, insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren, mit ihrer ursprünglichen Orientierung in einer Polymermatrix zu erhalten, wobei die Kontinuität der Nanopartikel über die gesamte Dicke erhalten bleibt. Die Membran dient als geometrische Begrenzung und ermöglicht damit eine Verpressung der Nanopartikel, verhindert ein unkontrolliertes Auseinanderfließen der Nanopartikel/Polymermischung und eröffnet somit die Möglichkeit, einen hohen mechanischen Druck aufzubauen. Die Membran gewährleistet daher den strukturellen Zusammenhalt der Agglomerate.The procedure according to the invention makes it possible to obtain the nanoparticles, in particular the carbon nanotubes, with their original orientation in a polymer matrix, the continuity of the nanoparticles being maintained over the entire thickness. The membrane serves as a geometric boundary and thus enables a compression of the nanoparticles, prevents an uncontrolled flow apart of the nanoparticles / polymer mixture and thus opens up the possibility of building up a high mechanical pressure. The membrane therefore ensures the structural cohesion of the agglomerates.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Polymerkomposit, umfassend elektrisch leitfähige Nanopartikel, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs, carbon nano tubes), erhältlich mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäß hergestellte Polymerkomposit zeichnet sich insbesondere durch einen Gewichtsanteil an Nanopartikeln > 20 Gew.-%, bevorzugt > 30 Gew.-%, noch bevorzugter > 40 Gew.-%, insbesondere > 50 Gew.-% aus.The invention also provides a polymer composite comprising electrically conductive nanoparticles, in particular carbon nanotubes (CNTs), obtainable by the process of the present invention. The polymer composite produced according to the invention is characterized in particular by a weight fraction of nanoparticles> 20% by weight, preferably> 30% by weight, still more preferably> 40% by weight, in particular> 50% by weight.

Selbstverständlich können die hergestellten Polymerkomposite beliebige Zusatzstoffe neben den Nanopartikeln und der Polymermatrix enthalten, welche bereits in den Agglomeraten enthalten sind. Dies sind beispielsweise zusätzliche Füllstoffe, die vorzugsweise ebenfalls elektrisch leitfähig sind. Beispielhaft genannt seien leitfähige Füllstoffe, beispielsweise Leitfähigkeitsruße (Carbon Black) oder Fullerene. Insbesondere sind auch Kombinationen verschiedener Füllstoffe möglich. Diese Zusatzstoffe sind unkritisch, sofern diese weder das erfindungsgemäße Verfahren noch den gewünschten Einsatzzweck nachteilig beeinflussen.Of course, the polymer composites prepared may contain any additives in addition to the nanoparticles and the polymer matrix, which are already contained in the agglomerates. These are, for example, additional fillers, which are preferably also electrically conductive. Examples which may be mentioned are conductive fillers, for example conductivity carbon blacks or fullerenes. In particular, combinations of different fillers are possible. These additives are not critical, provided that they neither adversely affect the process of the invention nor the desired application.

Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend

• (1) eine Vorrichtung zum Platzieren von Agglomeraten aus elektrisch leitfähigen Nanopartikeln, insbesondere CNT-Agglomerate, auf einer semipermeablen Membran;
• (2) eine Vorrichtung zum Falten der Membran, um die Agglomerate vollständig zu umhüllen;
• (3) eine Vorrichtung zum Tränken der aus Schritt (2) erhaltenen eingepackten Agglomerate mit einem oder mehreren Polymeren in flüssiger Form und
• (4) eine Vorrichtung zum Pressen und bevorzugt anschließenden Aushärten unter Druck der aus Schritt (3) erhaltenen Agglomerate unter Erhalt des Polymerkomposits.

Furthermore, the present invention also relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention, comprising

• (1) a device for placing agglomerates of electrically conductive nanoparticles, in particular CNT agglomerates, on a semipermeable membrane;
• (2) a device for folding the membrane to completely encase the agglomerates;
• (3) a device for impregnating the of step ( 2 ) received packaged agglomerates with one or more polymers in liquid form and
• (4) a device for pressing, and preferably subsequent curing under pressure, that of step ( 3 ) obtained agglomerates to obtain the polymer composite.

Die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren gelten entsprechend für die Vorrichtung der Erfindung.The above statements on the method according to the invention apply correspondingly to the device of the invention.

Die mit der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile sind sehr vielschichtig:
So ermöglicht es das vorliegende Verfahren, durch Verwendung einer semipermeablen Membran Nanopartikel, beispielsweise in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren, in eine Polymermatrix, vorzugsweise Duromer- und/oder Elastomermatrix, mit sehr hohen Gewichtsanteilen einzubetten. Mit kommerziell erhältlichen CNT-Agglomeraten wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Füllgrade >50 Gew.-% erreicht. Derartige praktisch porenfreie Polymerkomposite weisen eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von beispielsweise 2000 bis 3000 S/m auf. Es können noch höhere elektrische Leitfähigkeiten und höhere Gewichtsanteile eingestellt werden. The advantages achieved by the present invention are very complex:
Thus, by using a semipermeable membrane, the present method makes it possible to embed nanoparticles, for example in the form of carbon nanotubes, in a polymer matrix, preferably duromer and / or elastomer matrix, with very high proportions by weight. With commercially available CNT agglomerates fill levels> 50 wt .-% were achieved with the inventive method. Such virtually pore-free polymer composites have an electrical conductivity in the range of, for example, 2000 to 3000 S / m. Even higher electrical conductivities and higher weight proportions can be set.

Das Verfahren ist unabhängig von der Auswahl an Polymeren anwendbar, auch niedrig- bis mittel-viskose Polymere, wie Duromer- und Elastomersysteme sind verwendbar. Auch hinsichtlich des Typs und der Morphologien der Nanopartikel, insbesondere der CNTs, besteht keinerlei Einschränkung.The process is applicable regardless of the choice of polymers, also low to medium viscous polymers, such as duromer and elastomer systems are useful. There is also no restriction on the type and morphologies of the nanoparticles, in particular the CNTs.

Der Kern des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines mechanischen Verpressens unter Einsatz einer semipermeablen Membran zur Herstellung von flächigen Kompositen. Die Einführung dieser Membran ermöglicht das Aufbringen eines hohen mechanischen Druckes bei der Komposit-Herstellung. The core of the process of the present invention is the use of a mechanical compression using a semipermeable membrane for the production of laminar composites. The introduction of this membrane allows the application of a high mechanical pressure in the composite production.

Die Vorteile des erfindungemäßen Verfahrens resultieren aus drei bevorzugten Eigenschaften der Membran:

• (i) Die Membran dient als geometrische Begrenzung und ermöglicht damit überhaupt erst eine zeitgleiche Verpressung der Nanopartikel. Sie verhindert ein unkontrolliertes Auseinanderfließen der Nanopartikel/Polymermischung und eröffnet somit erst die Möglichkeit, einen hohen mechanischen Druck aufzubauen.
• (ii) Die Membran ist semipermeabel und dient als Barriere für die zu verdichtenden Nanopartikel, d.h. es erfolgt während der Kompression eine Abfuhr von überflüssigem Polymersystem, um hohe Gewichtsanteile der Nanopartikel zu ermöglichen.
• (iii) Die Membran dient vorzugsweise als Polymerquelle und -reserve für die bereits mit Polymer vorgetränkten Nanopartikel und ermöglicht damit eine vollständige Polymerdurchtränkung bei Durchführung des Verfahrens.

The advantages of the process according to the invention result from three preferred properties of the membrane:

• (i) The membrane serves as a geometric boundary and thus makes it possible to compress the nanoparticles at the same time. It prevents an uncontrolled flow apart of the nanoparticles / polymer mixture and thus opens up the possibility of building up a high mechanical pressure.
• (ii) The membrane is semi-permeable and serves as a barrier for the nanoparticles to be compressed, ie a discharge of superfluous polymer system takes place during the compression in order to allow high proportions by weight of the nanoparticles.
• (iii) The membrane preferably serves as a polymer source and reserve for the nanoparticles already impregnated with polymer, thus allowing complete polymer penetration when carrying out the process.

Der Materialfluss aus den Punkten (i) bis (iii) ermöglicht eine praktisch porenfreie Herstellung des erfindungsgemäßen Polymerkomposites. „Praktisch porenfrei“ bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass keine Poren mehr feststellbar sind, d.h. diese liegen unterhalb der Messgenauigkeit.The material flow from the points (i) to (iii) allows a virtually pore-free production of the polymer composite according to the invention. "Virtually non-porous" in the context of the invention means that no more pores are detectable, i. these are below the measuring accuracy.

Die hergestellten Nanopartikel/Polymerkomposite können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie Transistoren, insbesondere in Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistoren (CNTFET), für nichtflüchtige Datenspeicher, Displays, in der Messtechnik, zum Beispiel bei besonders leistungsfähigen Rastertunnelmikroskopen (RTM), im Flugzeug- und Fahrzeugbau, zur Leitfähigmachung von Antistatikfolien, in der Halbleitertechnologie und v.a.m.The nanoparticles / polymer composites produced can be used in a variety of applications, such as transistors, in particular in carbon nanotube field effect transistors (CNTFETs), for nonvolatile data memories, displays, in measurement technology, for example in high-performance scanning tunneling microscopes (RTM), in aircraft and automotive engineering, for conducting antistatic films, in semiconductor technology and vam

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, welche die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit einzelne CNTs nur äußerst schematisch zeigen. Insbesondere sind diese in Seiten- bzw. Schnittansichten (z.B. 1, 3a–3c) in geordneter Anordnung zu sehen, wobei diese in der Praxis häufig ungeordnet vorliegen werden. Auch ist aus Übersichtlichkeitsgründen jeweils nur ein Agglomerat dargestellt. In der Praxis werden jedoch pro Polymerkomposit eine Vielzahl von Agglomeraten vorliegen. Es zeigen:The present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings, which are not intended to limit the present invention. In particular, it should be noted that the drawings only show very schematically individual CNTs for reasons of clarity. In particular, these are in side or sectional views (eg 1 . 3a - 3c ) to see in an orderly arrangement, which in practice are often in disorder. Also For reasons of clarity, only one agglomerate is shown in each case. In practice, however, there will be a large number of agglomerates per polymer composite. Show it:

1 eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt eines CNT-Agglomerats, bereits angeordnet auf einer semipermeablen Membran gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; 1 a simplified schematic side view in section of a CNT agglomerate, already arranged on a semipermeable membrane according to an embodiment of the invention;

2 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf das CNT-Agglomerat, angeordnet auf der semipermeablen Membran gemäß 1 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; 2 a simplified schematic plan view of the CNT agglomerate disposed on the semipermeable membrane according to 1 according to an embodiment of the invention;

3a, b und c vereinfachte schematische Seitenansichten im Schnitt gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie das CNT-Agglomerat gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt (2) in die semipermeable Membran eingepackt werden kann; 3a , b and c simplified schematic side views in section according to an embodiment of the invention, as the CNT agglomerate according to the method step ( 2 ) can be packed in the semipermeable membrane;

4 eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt des in die semipermeable Membran eingepackten CNT-Agglomerats, eingetaucht in ein Polymerbad gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt (3) gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; 4 2 shows a simplified schematic side view in section of the CNT agglomerate packed in the semipermeable membrane, immersed in a polymer bath according to the process step (FIG. 3 ) according to an embodiment of the invention;

5 eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt eines CNT-Agglomerats, das eingepackt in eine semipermeable Membran in einer Pressvorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt (4) vorliegt; 5 a simplified schematic side view in section of a CNT agglomerate, which is packed in a semipermeable membrane in a pressing device according to the inventive method step ( 4 ) is present;

6 die Vorgänge und Abläufe anhand von 5 in Einzelheiten; 6 the processes and procedures based on 5 in details;

7 eine mikroskopische Aufnahme von CNT-Agglomeraten. 7 a micrograph of CNT agglomerates.

1 zeigt eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt eines CNT-Agglomerats 10, das bereits auf einer semipermeablen Membran 20 angeordnet vorliegt. Das gemäß Verfahrensschritt (1) bereitgestellte CNT-Agglomerat 10 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht weiter beschränkt. Es können jede Art von herstellbaren oder kommerziell erhältlichen Kohlenstoff-Nanoröhren von beliebiger Struktur zum Einsatz kommen. Das CNT-Agglomerat kann einwandige CNTs (SWCNTs) oder mehrwandige CNTs (MWNTs) oder es kann auch Mischungen dieser darstellen. Die CNTs im eingesetzten Agglomerat 10 können eine Orientierung aufweisen oder nicht. Die CNTs können in Form von verschlauften („entangled“) oder unverschlauften („non-entangled“) Agglomeraten 10 verwendet werden. 1 shows a simplified schematic side view in section of a CNT agglomerate 10 already on a semipermeable membrane 20 has been arranged. The according to process step ( 1 ) provided CNT agglomerate 10 is not further limited in the context of the present invention. Any type of manufacturable or commercially available carbon nanotube of any structure can be used. The CNT agglomerate may or may be single-walled CNTs (SWCNTs) or multi-walled CNTs (MWNTs). The CNTs in the used agglomerate 10 may or may not have an orientation. The CNTs may take the form of entangled or non-entangled agglomerates 10 be used.

Die Agglomerate 10 können beispielsweise durch einfaches Laminieren von mehreren CNT-Lagen aufeinander erhalten werden. In 1 ist lediglich beispielhaft ein Agglomerat 10 aus 2 Lagen von Kohlenstoff-Nanoröhren dargestellt, die untere Lage 1 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 1a, 1b, 1c ... und die obere Lage 2 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 2a, 2b, 2c ... Die gezeigten Kohlenstoff-Nanoröhren sind parallel zueinander in eine Vorzugsrichtung senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet und alle gleich dimensioniert. Selbstverständlich ist die Darstellung aus Gründen der Veranschaulichung sehr stark vereinfacht und auch nicht maßstabsgetreu dargestellt. Das CNT-Agglomerat 10 kann auch völlig anders aufgebaut sein, beispielsweise mit statistisch verteilten Kohlenstoff-Nanoröhren, die auch verschlauft sein können.The agglomerates 10 For example, they can be obtained by simply laminating several CNT layers to each other. In 1 is merely an example of an agglomerate 10 out 2 Layers of carbon nanotubes shown, the lower layer 1 with the carbon nanotubes 1a . 1b . 1c ... and the upper layer 2 with the carbon nanotubes 2a . 2 B . 2c The carbon nanotubes shown are aligned parallel to one another in a preferred direction perpendicular to the plane of the drawing and all have the same dimensions. Of course, the illustration is very much simplified and not drawn to scale for purposes of illustration. The CNT agglomerate 10 can also be built completely different, for example, with random carbon nanotubes, which can also be schlauft.

1 zeigt weiterhin eine semipermeable Membran 20 auf deren Oberseite das CNT-Agglomerat 10 bereits platziert wurde, um es in der Membran 20 einzupacken. Die Membran 20 soll erfindungsgemäß ebenfalls in keiner Weise beschränkt sein, sofern diese bestimmte Eigenschaften erfüllt, und umfasst jede Art an Filter. Das Material der Membran 20 ist dabei derart ausgestaltet, dass diese um das Agglomerat 10 herum gefaltet werden kann, um das Agglomerat 10 vollständig zu umhüllen. „Vollständig umhüllen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich möglichst jeder Bereich des Agglomerats 10, insbesondere jede Fläche, Kante oder Ecke des Agglomerats 10 in Kontakt mit der Membran 20 befindet. Hierzu ist die Membran 20 flexibel ausgestaltet. Weiterhin ist die Membran 20 halbdurchlässig (semipermeabel), so dass das oder die Polymere aus der nachfolgenden Behandlung, vorzugsweise in einem Polymerbad, durch die Membran 20 in beide Richtungen (bidirektional) hindurch treten können. Jedoch sollen die Kohlenstoff-Nanoröhren 1a, 1b, 1c ... und 2a, 2b, 2c ... von der Membran 20 blockiert, d.h. an einem Durchtreten durch die Membran 20 gehindert werden. Die Membran 20 ist daher vorzugsweise selektiv permeabel, da nur bestimmte Komponenten, d.h. die Polymere, durchgelassen werden, aber andere Komponenten, d.h. die Kohlenstoff-Nanoröhren, selektiv blockiert werden. 1 further shows a semipermeable membrane 20 on top of which is the CNT agglomerate 10 was already placed to it in the membrane 20 pack. The membrane 20 should also be limited according to the invention in any way, provided that it meets certain characteristics, and includes any type of filter. The material of the membrane 20 is designed such that this around the agglomerate 10 can be folded around to the agglomerate 10 completely envelop. In this context, "completely enveloping" means that as far as possible any area of the agglomerate 10 , in particular any surface, edge or corner of the agglomerate 10 in contact with the membrane 20 located. This is the membrane 20 flexibly designed. Furthermore, the membrane 20 semi-permeable (semipermeable), so that the polymer or polymers from the subsequent treatment, preferably in a polymer bath, through the membrane 20 in both directions (bidirectional) can pass through. However, the carbon nanotubes are supposed to 1a . 1b . 1c ... and 2a . 2 B . 2c ... from the membrane 20 blocked, ie at a passage through the membrane 20 be prevented. The membrane 20 Therefore, it is preferably selectively permeable since only certain components, ie, the polymers, are transmitted, but other components, ie, the carbon nanotubes, are selectively blocked.

Ein Material, welches die gewünschten Eigenschaften an eine Membran 20 im Hinblick auf Semipermeabilität, Flexibilität, ausreichender Formstabilität und vorzugsweise Polymeraufnahme und -abgabe in hohem Maße erfüllt, ist Filterpapier. Die Dicke des Filterpapiers liegt zum Beispiel im Bereich von etwa 0,1mm bis 1 mm, bevorzugt 0,15mm bis 0,5mm, besonders bevorzugt 0,25mm. Hinsichtlich der Größe des eingesetzten Filterpapiers liegt an sich keine Beschränkung vor; dies hängt von den Dimensionen des eingesetzten CNT-Agglomerats 10 ab. Ganz besonders bevorzugt wird kommerziell erhältliches Filterpapier von der Firma Macherey-Nagel GmbH & Co. KG, beispielsweise MN 714 Filterpapier, verwendet.A material which has the desired properties of a membrane 20 is highly satisfactory in terms of semipermeability, flexibility, sufficient dimensional stability and preferably polymer uptake and release. The thickness of the filter paper is, for example, in the range of about 0.1 mm to 1 mm, preferably 0.15 mm to 0.5 mm, particularly preferably 0.25 mm. With regard to the size of the filter paper used, there is no limitation per se; this depends on the dimensions of the CNT agglomerate used 10 from. Very particular preference is given to using commercially available filter paper from Macherey-Nagel GmbH & Co. KG, for example MN 714 filter paper.

2 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht auf das CNT-Agglomerat 10, angeordnet auf der semipermeablen Membran 20 gemäß 1. Das Agglomerat 10 ist mittig auf der Membran 20 angeordnet. Die Membran ist im vorliegenden Fall eine viereckige Lage, kann aber auch andere Formen aufweisen. Besonders bevorzugt ist die Membran 20 rechteckig oder quadratisch. Symmetrische Formen für die Membran 20 auszuwählen ist besonders zweckmäßig, damit das Agglomerat 10 in einfacher Weise und möglichst passgenau eingepackt werden kann. 2 shows a simplified schematic plan view of the CNT agglomerate 10 arranged on the semipermeable membrane 20 according to 1 , The agglomerate 10 is centered on the membrane 20 arranged. The membrane is in the present case a quadrangular position, but may also have other shapes. Particularly preferred is the membrane 20 rectangular or square. Symmetrical shapes for the membrane 20 it is particularly convenient to select the agglomerate 10 can be packed in a simple manner and as accurately as possible.

In 2 sind zur Veranschaulichung die Faltlinien in gestrichelten Linienpaaren 20a und b, 20c und d, 20e und f und 20g und h in der Membran 20 dargestellt. Die Linienpaare 20a und b und 20c und d sind in einem derartigen Abstand A voneinander vorgesehen, dass bei einem ersten Faltvorgang der Membran 20 mit den Seitenflächenabschnitten 20.1, 20.2 und 20.3 in Richtung des Agglomerats 10 entlang der Faltlinie 20b der Seitenflächenabschnitt 20.2 möglichst deckungsgleich auf die Oberseite 10.1 des Agglomerats 10 zu liegen kommen sollte. D.h. der Abstand A zwischen den Linienpaaren 20a und 20b entspricht der Höhe der linken Seitenfläche des Agglomerats 10 in der gezeigten Draufsicht von 2. In gleicher Weise wird beim zweiten Faltvorgang der Membran 20 mit den Seitenflächenabschnitten 20.5, 20.6 und 20.7 in Richtung des Agglomerats 10 entlang der Faltlinie 20c der Seitenflächenabschnitt 20.6 wieder möglichst deckungsgleich auf dem Seitenflächenabschnitt 20.2 abgelegt, der beim ersten Falten bereits auf die Oberseite 10.1 des Agglomerats 10 gefaltet und dort abgelegt wurde. D.h. der Abstand A zwischen den Linienpaaren 20c und 20d entspricht der Höhe der rechten Seitenfläche des Agglomerats 10. Die beiden weiteren Faltvorgänge erfolgen analog. Die Reihenfolge, in der die Seitenflächen der Membran 20 umgeklappt und gefaltet werden, ist nicht kritisch, es kann in beliebiger Reihenfolge vorgegangen werden.In 2 are for illustrative purposes the fold lines in dashed line pairs 20a and b, 20c and d, 20e and f and 20g and h in the membrane 20 shown. The line pairs 20a and b and 20c and d are provided at such a distance A from each other that in a first folding operation of the membrane 20 with the side surface portions 20.1 . 20.2 and 20.3 in the direction of the agglomerate 10 along the fold line 20b the side surface section 20.2 as congruent as possible on the top 10.1 of the agglomerate 10 should come to rest. That is, the distance A between the pairs of lines 20a and 20b corresponds to the height of the left side surface of the agglomerate 10 in the illustrated plan view of 2 , In the same way, the second folding of the membrane 20 with the side surface portions 20.5 . 20.6 and 20.7 in the direction of the agglomerate 10 along the fold line 20c the side surface section 20.6 again as congruent on the side surface section 20.2 The first fold is already on the top 10.1 of the agglomerate 10 folded and stored there. That is, the distance A between the pairs of lines 20c and 20d corresponds to the height of the right side surface of the agglomerate 10 , The two other folding operations are analog. The order in which the side surfaces of the membrane 20 folded and folded, is not critical, it can be done in any order.

Nach den beiden Faltvorgängen liegen nicht nur die Seitenflächenabschnitte 20.2 und 20.6 möglichst bündig aufeinander, sondern auch die jeweils angrenzenden Seitenflächenabschnitte, d.h. Fläche 20.5 liegt auf 20.3 und Fläche 20.7 liegt auf 20.1. Die beiden weiteren Faltvorgänge laufen analog ab. Selbstverständlich ist die Faltreihenfolge völlig beliebig und hier nur beispielhaft erläutert.After the two folding operations are not only the side surface sections 20.2 and 20.6 as flush as possible, but also the respective adjacent side surface sections, ie area 20.5 lies on 20.3 and area 20.7 lies on 20.1 , The two other folding operations proceed analogously. Of course, the folding order is completely arbitrary and explained here only by way of example.

Das Einpacken des CNT-Agglomerats 10 in die semipermeable Membran 10 wird anhand einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform in den 3a, 3b und 3c erläutert. Die 3a, 3b und 3c veranschaulichen eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie das CNT-Agglomerat gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt (2) in die flexible semipermeable Membran eingepackt werden kann, so dass das CNT-Agglomerat vollständig umhüllt wird. The packing of the CNT agglomerate 10 in the semipermeable membrane 10 is based on an exemplary embodiment of the invention in the 3a . 3b and 3c explained. The 3a . 3b and 3c illustrate a simplified schematic side view in section according to an embodiment of the invention, as the CNT agglomerate according to the method step ( 2 ) can be packed into the flexible semipermeable membrane so that the CNT agglomerate is completely enveloped.

Nach dem Platzieren des CNT-Agglomerats 10, bevorzugt mittig, auf der Membran 20 erfolgt das Umklappen und Falten sämtlicher nicht vom Agglomerat 10 eingenommenen Seitenflächen der Membran 20, bevorzugt nacheinander auf das CNT-Agglomerat 10. Das Einpacken des CNT-Agglomerats 10 erfolgt dabei in ähnlicher Weise wie beim Verpacken eines Geschenks in Geschenkpapier, jedoch vorzugsweise mit möglichst exakter Überlappung der aufeinander gefalteten Teile der Membran 20 wie nachfolgend erläutert wird:
Gemäß einem ersten Faltvorgang wird das in der Mitte der Membran 20 angeordnete Agglomerat 10 durch Umklappen und Falten einer der 4 Seitenflächen der Membran 20 auf das Agglomerat gefaltet. So zeigt 3a das Agglomerat 10 beispielhaft mit 2 Lagen von Kohlenstoff-Nanoröhren dargestellt, die untere Lage 1 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 1a, 1b, 1c ... und die obere Lage 2 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 2a, 2b, 2c ... Die gezeigten Kohlenstoff-Nanoröhren sind parallel zueinander in eine Vorzugsrichtung senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet und alle gleich dimensioniert. Ein anderer Aufbau und eine andere Zusammensetzung der Agglomerate sind ohne Einschränkungen möglich. After placing the CNT agglomerate 10 , preferably in the center, on the membrane 20 the folding and folding does not occur from the agglomerate 10 occupied side surfaces of the membrane 20 , preferably in succession to the CNT agglomerate 10 , The packing of the CNT agglomerate 10 takes place in a similar manner as when packaging a gift in wrapping paper, but preferably with the most accurate overlap of the folded parts of the membrane 20 as explained below:
According to a first folding process that will be in the middle of the membrane 20 arranged agglomerate 10 by folding over and folding one of the 4 side surfaces of the membrane 20 folded onto the agglomerate. So shows 3a the agglomerate 10 with example 2 Layers of carbon nanotubes shown, the lower layer 1 with the carbon nanotubes 1a . 1b . 1c ... and the upper layer 2 with the carbon nanotubes 2a . 2 B . 2c The carbon nanotubes shown are aligned parallel to one another in a preferred direction perpendicular to the plane of the drawing and all have the same dimensions. Another structure and composition of the agglomerates are possible without restriction.

In 3a wird nun in einem ersten Faltvorgang der rechte Seitenflächenabschnitt 20.6 der Membran 20 in Richtung der Pfeile R1 und R2 umgeklappt und gefaltet, bis dieser auf das Agglomerat 10 zu liegen kommt. Besonders bevorzugt sind die Abmessungen der Membran 20, insbesondere die Abmessungen des Seitenflächenabschnitts 20.5 so gewählt, dass dieser praktisch deckungsgleich auf die Oberseite 10.1 des Agglomerats 10 zu liegen kommt.In 3a is now in a first folding the right side surface section 20.6 the membrane 20 Folded in the direction of the arrows R1 and R2 and folded until this on the agglomerate 10 to come to rest. Particularly preferred are the dimensions of the membrane 20 , in particular the dimensions of the side surface portion 20.5 chosen so that this practically congruent to the top 10.1 of the agglomerate 10 to come to rest.

Bevorzugt werden jeweils die einander gegenüberliegenden Seitenflächen bzw. Seitenflächenabschnitte der Membran 20 paarweise aufeinander gefaltet. Andere Faltweisen sind ebenfalls möglich.In each case, the opposite side surfaces or side surface sections of the membrane are preferred 20 folded in pairs. Other folding ways are also possible.

In 3b wird der zweite Faltvorgang, der sich unmittelbar an den ersten Faltvorgang anschließen kann, veranschaulichend dargestellt. Es wird der linke Seitenflächenabschnitt 20.2 der Membran 20 in Richtung der Pfeile R1’ und R2’ umgeklappt und gefaltet, bis dieser auf den Seitenflächenabschnitt 20.6 auf das Agglomerat 10 zu liegen kommt. Besonders bevorzugt sind die Abmessungen der Membran 20, insbesondere die Abmessungen des Seitenflächenabschnitts 20.2 so gewählt, dass dieser praktisch deckungsgleich mit den Seitenflächenabschnitt 20.6 und der Oberseite 10.1 des Agglomerats 10 ist.In 3b For example, the second folding operation, which may immediately follow the first folding operation, is illustratively shown. It will be the left side panel section 20.2 the membrane 20 folded over in the direction of the arrows R1 'and R2' and folded until this on the side surface portion 20.6 on the agglomerate 10 to come to rest. Particularly preferred are the dimensions of the membrane 20 , in particular the dimensions of the side surface portion 20.2 chosen so that this practically congruent with the side surface portion 20.6 and the top 10.1 of the agglomerate 10 is.

3c zeigt eine beispielhafte Seitenansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie das CNT-Agglomerat 10 nach den beiden Faltvorgängen gemäß 3a und 3b aussehen kann. 3c shows an exemplary side view in section of an inventive Embodiment, such as the CNT agglomerate 10 after the two folding operations according to 3a and 3b can look like.

Die beiden weiteren Faltvorgänge können analog wie die ersten beiden Faltvorgänge durchgeführt werden und sind nicht gezeigt.The two other folding operations can be carried out analogously to the first two folding operations and are not shown.

Es sind auch andere Vorgehensweisen zum Einpacken des CNT-Agglomerats 10 in die semipermeable Membran 20 denkbar. Der Vorteil der oben geschilderten und erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausführungsform ist, dass das CNT-Agglomerat 10 nach dem mittigen Anordnen auf der Membran 20 nicht mehr bewegt werden muss, sondern ausschließlich die Membran 20 um das Agglomerat 10 herumgefaltet wird. Da das CNT-Agglomerat 10 sehr brüchig und wenig stabil sein kann, ist dies besonders vorteilhaft und anderen Einpackvarianten vorzuziehen, bei denen das CNT-Agglomerat selbst bewegt, beispielsweise gedreht werden müsste. There are also other approaches to packing the CNT agglomerate 10 in the semipermeable membrane 20 conceivable. The advantage of the above-described and particularly preferred embodiment according to the invention is that the CNT agglomerate 10 after centering on the membrane 20 no longer has to be moved, but only the membrane 20 around the agglomerate 10 is folded over. Because the CNT agglomerate 10 can be very brittle and not very stable, this is particularly advantageous and preferable to other Einpackvarianten in which the CNT agglomerate itself moves, for example, would have to be rotated.

Das Einpacken kann beispielsweise auch automatisch mit einem herkömmlichen Werkzeug zum Falten erfolgen. Die Art und Weise, wie die Membran 20 gefaltet wird ist nicht kritisch, solange das CNT-Agglomerat nicht beschädigt wird. The wrapping can for example be done automatically with a conventional tool for folding. The way the membrane works 20 Folding is not critical unless the CNT agglomerate is damaged.

Die Membran 20 dient hierbei als geometrische Begrenzung.The membrane 20 serves as a geometric boundary.

4 veranschaulicht eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt des in die semipermeable Membran 20 eingepackten CNT-Agglomerats 10, eingetaucht in ein Polymerbad 40 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrensschritts (3). 4 illustrates a simplified schematic side view in section of the semipermeable membrane 20 wrapped CNT agglomerate 10 , immersed in a polymer bath 40 according to an exemplary embodiment of the method step according to the invention ( 3 ).

Nach dem Einpacken des CNT-Agglomerats 10 in die Membran 20 kann die Membran an oder auf dem Agglomerat 10 fixiert oder befestigt werden. Hierfür eignet sich ein einfach anzubringendes und wieder einfach zu entfernendes Befestigungsmittel. In 4 ist ein beispielhafter Clip 30 dargestellt, der die Membran 20 auf einer Seite um das Agglomerat 10 an Ort und Stelle hält. Es sind auch mehrere Befestigungsmittel möglich, wie zum Beispiel beidseitig angebrachte Befestigungsmittel in Form von Clips (nicht gezeigt). Auch andere Arten von Befestigungsmitteln können verwendet werden, solange diese keinen nachteiligen Einfluss auf das erfindungsgemäße Verfahren haben. After packing the CNT agglomerate 10 in the membrane 20 can the membrane on or on the agglomerate 10 fixed or attached. For this purpose, an easy to install and easy to remove fastener is suitable. In 4 is an exemplary clip 30 shown the membrane 20 on one side around the agglomerate 10 holds in place. There are also several fasteners possible, such as attached on both sides fasteners in the form of clips (not shown). Other types of fasteners may be used as long as they do not adversely affect the method of the invention.

In 4 ist das Tränken des in die Membran 20 eingepackten CNT-Agglomerats 10 in Form eines bevorzugten Polymerbads dargestellt. Das Polymerbad 40 weist ein oder mehrere ausgewählte Polymere auf, mit denen das CNT-Agglomerat 10 getränkt werden soll, das/die im herzustellenden Polymerkomposit die Polymermatrix darstellt, welche die Kohlenstoff-Nanoröhren einbettet. Die Polymere sind vorzugsweise ausgewählt aus Duroplasten und/oder Elastomeren. Besonders bevorzugt sind Polymere aus der Gruppe der Epoxidharze und/oder Silicongummis. In 4 is the soaking in the membrane 20 wrapped CNT agglomerate 10 represented in the form of a preferred polymer bath. The polymer bath 40 has one or more selected polymers with which the CNT agglomerate 10 is to be impregnated, which represents in the polymer composite to be produced, the polymer matrix, which embeds the carbon nanotubes. The polymers are preferably selected from thermosets and / or elastomers. Particularly preferred are polymers from the group of epoxy resins and / or silicone rubbers.

Das Polymerbad 40 weist das Polymer oder die Mischung von mehreren Polymeren in einer Lösung 50 auf. Hierfür eignen sich ein oder mehrere Lösungsmittel, welche das oder die ausgewählten Polymeren lösen. The polymer bath 40 has the polymer or mixture of several polymers in solution 50 on. For this purpose, one or more solvents are suitable which dissolve the selected polymer (s).

Geeignete Polymere und Lösungsmittel sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.Suitable polymers and solvents are known to those skilled in the art.

Besonders bevorzugt wird die Temperatur des Polymerbads 40 auf oberhalb Raumtemperatur eingestellt, bevorzugt auf einen Bereich von etwa 30 bis etwa 70°C, bevorzugter etwa 40 bis etwa 60°C. Es kann gegebenenfalls ein Vakuum angelegt werden. Die Dauer des Eintauchens in das Polymerbad 40 hängt von der Art und dem Aufbau des CNT-Agglomerats 10, der Polymer-Zusammensetzung und Lösungsmittelbeschaffenheit des Bads 40 und der gewählten Temperatur ab. Die optimalen Bedingungen können durch einen Fachmann aus dem Stand der Technik anhand weniger orientierender Versuche bestimmt werden. Particularly preferred is the temperature of the polymer bath 40 adjusted to above room temperature, preferably to a range of from about 30 to about 70 ° C, more preferably from about 40 to about 60 ° C. If necessary, a vacuum can be applied. The duration of immersion in the polymer bath 40 depends on the type and structure of the CNT agglomerate 10 , the polymer composition and solvent nature of the bath 40 and the selected temperature. The optimum conditions can be determined by a person skilled in the art based on less orienting experiments.

Eine erhöhte Temperatur kann vorteilhaft sein, muss aber nicht notwendigerweise vorliegen.An elevated temperature may be advantageous, but need not necessarily be present.

Dadurch dass das CNT-Agglomerat 10 in eine semipermeable Membran 20 eingepackt ist, können das oder die Polymere, die sich im Polymerbad 40 in Lösung befinden, zum CNT-Agglomerat 10 gelangen, aber die Kohlenstoff-Nanoröhren 1a, 1b, 1c ... und 2a, 2b, 2c ... aus dem Agglomerat 10 können nicht in die Lösung 50 des Polymerbads 40 gelangen, sondern werden durch die Membran 20 blockiert. As a result, the CNT agglomerate 10 in a semipermeable membrane 20 can be packed, the polymer or polymers that are in the polymer bath 40 in solution to the CNT agglomerate 10 arrive, but the carbon nanotubes 1a . 1b . 1c ... and 2a . 2 B . 2c ... from the agglomerate 10 can not get into the solution 50 of the polymer bath 40 but pass through the membrane 20 blocked.

Die Membran 20 ist zwar in beiden Richtungen, d.h. von außen nach innen und von innen nach außen für das oder die Polymere durchlässig, jedoch wird sich das Polymer aufgrund des Konzentrationsgradienten in Richtung des CNT-Agglomerats 20 bewegen. Die vorliegenden Kanäle, die die Kohlenstoff-Nanoröhren bilden, erleichtern zusätzlich den Zugang des Polymers oder der Polymeren und das vollständige Durchtränken des CNT-Agglomerats 20 mit Polymer. The membrane 20 Although permeable in both directions, ie from outside to inside and from the inside out for the polymer or polymers, but the polymer is due to the concentration gradient in the direction of the CNT agglomerate 20 move. The present channels forming the carbon nanotubes additionally facilitate access of the polymer or polymers and complete saturation of the CNT agglomerate 20 with polymer.

Der Einsatz von Vakuum während des Eintauchens in das Polymerbad 40 ist insofern besonders vorteilhaft, da hierdurch ein Entgasen des CNT-Agglomerats 10 erreicht werden kann. Eine Entwicklung und das Aufsteigen von Luftblasen aus dem Bad 40 zeigen an, dass das Polymer oder die Polymeren aus der Lösung 50 vorhandene Luft im CNT-Agglomerat 10 effizient verdrängen und ersetzen. The use of vacuum during immersion in the polymer bath 40 is particularly advantageous insofar as this results in a degassing of the CNT agglomerate 10 can be achieved. A development and the rising of bubbles from the bath 40 indicate that the polymer or polymers are from the solution 50 Existing air in the CNT agglomerate 10 displace and replace efficiently.

Nach Beendigung des Bads 40 kann das gegebenenfalls vorhandene Befestigungsmittel 30 wieder entfernt werden. After finishing the bath 40 can the possibly existing fastener 30 be removed again.

Im sich anschließenden Verfahrensschritt (4) wird das aus dem Polymerbad 40 herausgenommene in die Membran 20 eingepackte CNT-Agglomerat 10 einem Pressen unterzogen. 5 veranschaulicht eine vereinfachte schematische Seitenansicht im Schnitt eines CNT-Agglomerats 10, das eingepackt in eine semipermeable Membran 20 in einer Pressvorrichtung 70, gegebenenfalls eine Press- und Heizvorrichtung, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt (4) vorliegt, wobei das Polymer 60 noch nicht in ausgehärtetem Zustand vorliegt. In the subsequent process step ( 4 ) is from the polymer bath 40 taken out in the membrane 20 wrapped CNT agglomerate 10 subjected to pressing. 5 illustrates a simplified schematic side view in section of a CNT agglomerate 10 which is packed in a semipermeable membrane 20 in a pressing device 70 , optionally a pressing and heating device, according to the method step ( 4 ), wherein the polymer 60 not yet in the cured state.

Geeigneterweise wird hier beispielsweise eine Hydraulikpresse eingesetzt. Ein Druck im Bereich von > 10MPa bis zu mehreren Hundert MPa ist je nach Auswahl der Ausgangsmaterialien zweckmäßig. Das Pressen erfolgt bevorzugt unter Einsatz von Wärme, wobei eine Temperatur oberhalb von Raumtemperatur eingestellt werden kann. Eine bevorzugt eingesetzte Temperatur liegt im Bereich von etwa Raumtemperatur bis etwa 200˚C oder höher, je nach Polymer, besonders bevorzugt Raumtemperatur bis 100˚C, insbesondere 70 bis 90˚C.Suitably, for example, a hydraulic press is used here. A pressure in the range of> 10 MPa up to several hundred MPa is appropriate depending on the selection of the starting materials. The pressing is preferably carried out using heat, wherein a temperature above room temperature can be adjusted. A preferred temperature is in the range of about room temperature to about 200 ° C. or higher, depending on the polymer, more preferably room temperature to 100 ° C., especially 70 to 90 ° C.

Das Pressen und Aushärten kann grundsätzlich in derselben Vorrichtung, insbesondere der Pressvorrichtung, erfolgen. Die verpresste Membran kann jedoch auch der Pressvorrichtung nach dem Verpressen entnommen werden und das Aushärten des Polymers kann dann außerhalb der Pressvorrichtung erfolgen. The pressing and curing can in principle be carried out in the same device, in particular the pressing device. However, the compressed membrane can also be removed from the pressing device after the pressing and the curing of the polymer can then take place outside the pressing device.

Wenn ein Lösungsmittel vorhanden ist, entweicht dieses während des Aushärtevorgangs. If a solvent is present, it will escape during the curing process.

In 6 sind die Vorgänge und Abläufe anhand von 5 im Einzelnen nochmals dargestellt. Beim Pressen wirkt die vorhandene semipermeable Membran 20 in mehrfacher Hinsicht auf das CNT-Agglomerat 10: So wird durch den eingesetzten Druck (Pfeile F in 6) das oder die im CNT-Agglomerat 10 vorhandenen Polymere durch die Membran 20 herausgedrückt (Pfeile A1, A2, A3 und A4 in 6), so dass die Membran 20 das zuvor beim Tränken im Polymerbad 40 aus der Lösung 50 aufgenommene Polymer nun freisetzen kann. Somit kann überschüssiges Polymer aus dem CNT-Agglomerat 20 austreten und durch die Membran 20 hindurch nach außen befördert werden. Die Membran 20 wirkt in diesem Fall als Abführsystem. Diese Vorgehensweise ist vergleichbar mit dem Ausdrücken eines Schwamms.In 6 are the processes and processes based on 5 again shown in detail. During pressing, the existing semipermeable membrane acts 20 in several ways to the CNT agglomerate 10 : This is done by the applied pressure (arrows F in 6 ) that in the CNT agglomerate 10 existing polymers through the membrane 20 pushed out (arrows A1, A2, A3 and A4 in 6 ), leaving the membrane 20 the previously when soaking in the polymer bath 40 out of the solution 50 absorbed polymer can now release. Thus, excess polymer from the CNT agglomerate 20 leak out and through the membrane 20 through to the outside. The membrane 20 acts in this case as a laxative system. This procedure is similar to expressing a sponge.

Die Membran 20, die bevorzugt so ausgestaltet ist, dass diese das oder die Polymere aus dem Polymerbad 40 aufnehmen, speichern und wieder abgeben kann, dient dann weiterhin als Polymerquelle und -reserve und gibt unter Druck das oder die Polymeren, die von der Membran während des Tränkens mit Polymer aufgenommen wurden, an das CNT-Agglomerat 20 ab (Pfeile I1 bis I8 in 6). Durch die an der Membran 20 anliegenden Flächen des Presswerkzeugs 70, d.h. oberhalb und unterhalb des eingepackten Agglomerats 10, wird somit eine Infiltration des/der Polymers/Polymere in Richtung parallel zur Pressrichtung erzwungen. Gleichzeitig ist ein Abfließen von überschüssigem Polymer nach außen in Richtung senkrecht zur Pressrichtung zwischen den anliegenden Flächen des Presswerkzeugs 70 möglich. Die Membran 20 dient daher vorzugsweise gleichzeitig als Polymerquelle und/oder Polymerreserve zur Aufnahme und/oder Abgabe der Polymeren.The membrane 20 , which is preferably designed such that this or the polymers from the polymer bath 40 then continues to serve as a polymer source and reserve and pressurizes the polymer (s) received by the membrane during impregnation with polymer to the CNT agglomerate 20 from (arrows I1 to I8 in 6 ). By the on the membrane 20 adjacent surfaces of the pressing tool 70 ie above and below the wrapped agglomerate 10 Thus, an infiltration of the polymer / polymers is forced in the direction parallel to the pressing direction. At the same time, a flow of excess polymer outwards in the direction perpendicular to the pressing direction between the adjacent surfaces of the pressing tool 70 possible. The membrane 20 therefore preferably serves simultaneously as a polymer source and / or polymer reserve for receiving and / or delivering the polymers.

Die bevorzugte Funktionsweise der Membran 20 als Aufnahme- und Abgabesystem für das oder die Polymere der bereits mit Polymer vorgetränkten Nanopartikel in Form der CNTs stellt damit eine vollständige Polymerdurchtränkung bei Durchführung des Verfahrens sicher. Somit gelangt das Polymer oder die Polymere ohne weiteres zwischen die Kohlenstoff-Nanoröhren und bis zu den kleinsten Zwischenräumen im Nanometer-Bereich. The preferred mode of operation of the membrane 20 as a receiving and dispensing system for the polymer or polymers of nanoparticles already pre-impregnated with polymer in the form of CNTs thus ensures a complete polymer saturation in carrying out the process. Thus, the polymer or polymers readily travels between the carbon nanotubes and down to the smallest nanometer intervals.

Zweckmäßigerweise kann bei diesem Pressvorgang auch auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur erwärmt werden. Dies ist aber nicht in jedem Fall erforderlich.Appropriately, in this pressing process can be heated to a temperature above room temperature. But this is not necessary in every case.

Besonders bevorzugt kann zwischen dem Presswerkzeug 70 und dem eingepackten CNT-Agglomerat 10 eine Trennschicht zur einfacheren Ablösung vom Presswerkzeug 70 vorgesehen werden (nicht gezeigt).Particularly preferred may be between the pressing tool 70 and the wrapped CNT agglomerate 10 a separating layer for easier detachment from the pressing tool 70 be provided (not shown).

Im Anschluss daran wird das mit Polymer entsprechend durchtränkte CNT-Agglomerat 20 unter Druck und gegebenenfalls erhöhter Temperatur ausgehärtet. Hierbei werden Druck, Temperatur und Anwendungsdauer derart eingestellt, dass die gewünschte Dicke und der geeignete Aushärtungsgrad erreicht werden. Die Auswahl der einzelnen Parameter hängt vom Anwendungsfall ab. Als Faustregel kann eine Temperaturbereich von etwa Raumtemperatur bis etwa 200˚C, besonders bevorzugt Raumtemperatur bis 100˚C, insbesondere 70 bis 90˚C, ein Druck von etwa 1 MPa bis 100 MPa und eine Dauer von etwa 30 Sek. bis 1 Std. oder mehr angegeben werden.This is followed by the CNT agglomerate impregnated with polymer 20 cured under pressure and optionally elevated temperature. Here, pressure, temperature and duration of use are adjusted so that the desired thickness and the appropriate degree of cure can be achieved. The selection of the individual parameters depends on the application. As a rule of thumb, a temperature range of about room temperature to about 200 ° C., more preferably room temperature to 100 ° C., in particular 70 to 90 ° C., a pressure of about 1 MPa to 100 MPa and a duration of about 30 seconds to 1 hour. or more.

Es versteht sich von selbst, dass die Temperatur, der Druck und die Dauer so gewählt werden, dass das oder die Polymere vollständig aushärten und das gegebenenfalls vorhandene Lösungsmittel entfernt wird. Eine definierte Kompositgeometrie wird durch eine teilweise- oder vollständige Polymerisation innerhalb der eingesetzten Vorrichtung sichergestellt.It goes without saying that the temperature, the pressure and the duration are chosen so that the polymer or polymers completely cure and any solvent present is removed. A defined composite geometry is characterized by a partial or complete Polymerization ensured within the device used.

Nach dem Aushärten wird die Membran zweckmäßigerweise entfernt und der hergestellte Polymerkomposit erhalten (nicht gezeigt).After curing, the membrane is conveniently removed and the resulting polymer composite obtained (not shown).

Die 1 bis 6 verdeutlichen nur beispielhaft mögliche Ausgestaltungen. Diese sind nicht beschränkend zu verstehen, sondern stellen lediglich Beispiele möglicher Ausführungsformen dar. Die 1 bis 6 sind nicht abschließend und damit auch nicht beschränkend im Hinblick auf den Schutzbereich des erfindungsgemäß vorliegenden Verfahrens. Andere Möglichkeiten zur Durchführung sind denkbar. The 1 to 6 illustrate only exemplary embodiments possible. These are not meant to be limiting, but merely represent examples of possible embodiments 1 to 6 are not exhaustive and therefore not restrictive with regard to the scope of the present invention. Other possibilities for implementation are conceivable.

Die 7 zeigt zur Veranschaulichung mehrere CNT-Agglomerate 10 in mikroskopischer Darstellung.The 7 shows by way of illustration several CNT agglomerates 10 in a microscopic view.

Im nachfolgenden Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Versuches detailliert geschildert. Selbstverständlich soll die vorliegende Erfindung hierdurch nicht beschränkt werden. In the following example, the method according to the invention is described in detail by means of an experiment. Of course, the present invention should not be limited thereby.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Es wurde ein Filterpapier (MACHEREY-NAGEL, MN 714 Filtrierpapiere, Bogen; Filtrationszeit nach DIN 53137 : 20 s; Dicke 0,25 mm; Flächengewicht: 75 g/m²) bereitgestellt und zugeschnitten und im Sinne von der Darstellung in 2 gefaltet. Die zu befüllende Grundfläche betrug 3 × 4 cm².A filter paper (MACHEREY-NAGEL, MN 714 filter papers, sheet; DIN 53137 : 20 s; Thickness 0.25 mm; Weight per unit area: 75 g / m ² ) and tailored and in the sense of the representation in 2 folded. The base area to be filled was 3 × 4 cm ² .

Die vorgenannte Grundfläche der vorgefalteten Membran wurde CNT-Agglomeraten des Typs "Baytubes Typ C150P (wie Auslieferungszustand), Einwaage 2 g" gefüllt.The aforementioned base area of the prefolded membrane was filled with CNT agglomerates of the type "Baytubes type C150P (as delivered condition), weight 2 g".

Die CNTs wurden mit dem Filterpapier eingefaltet (ebenfalls in der Weise wie in den Figuren dargestellt). Zwei handelsüblichen Büroklammern wurden angebracht (leicht aufgebogen), um Zusammenhalt bei Transport und späterer Harztränkung sicher zu stellen.The CNTs were folded in with the filter paper (also in the manner shown in the figures). Two commercially available paper clips were attached (slightly bent) to ensure cohesion during transport and later resin impregnation.

Das Epoxid-Harzsystem RIMR135/RIMH137 (Hexion) wurde entsprechend dem vom Hersteller bereitgestellten Datenblatt angemischt. Zur Sicherstellung eines ausreichenden Füllstandes wurde 20 g Harz und ein entsprechende Menge Härter verwendet. Anschließend wurde das Epoxid-Harzsystem für 10 min in einem Aluminium-Einweg-Behältnis gerührt.The epoxy resin system RIMR135 / RIMH137 (Hexion) was mixed according to the data sheet provided by the manufacturer. To ensure a sufficient level, 20 g of resin and a corresponding amount of hardener was used. Subsequently, the epoxy resin system was stirred for 10 minutes in an aluminum disposable container.

Entgasen des Harz/Härter Gemisches für 5 bis 10 min bei niedrigem Gas-Druck in einem auf 70 °C vorbeheizten Ofen. Anschließend wurde das Aluminium-Hilfsbehältnisses mit Harz/Härter-Mischung entnommen.Degassing of the resin / hardener mixture for 5 to 10 minutes at low gas pressure in a pre-heated to 70 ° C oven. Subsequently, the aluminum auxiliary container was removed with resin / hardener mixture.

Die in Filterpapier verpackten CNTs wurden mitsamt Sicherungsklammern in Epoxid-Harzsystem getränkt, unter Beschwerung mit einem kleinen Hilfsgewicht, so dass es auf dem Grund des mit Harz/Härter befüllten Gefäßes zum Liegen kam.The filter paper wrapped CNTs were impregnated with epoxy resin system securing clips, weighted with a small auxiliary weight so that it came to rest on the bottom of the resin / hardener filled vessel.

Danach erfolgte ein einmaliges, kurzes Vakuumziehen sowie die Entnahme des Gefäßes. Die in Filterpapier verpackten CNTs wurden aus dem Gefäß entnommen und die Sicherungsklammern entfernt.This was followed by a single, short vacuum drawing and the removal of the vessel. The filter paper wrapped CNTs were removed from the jar and the securing clips removed.

Auf die Proben wurde eine PTFE-Folie jeweils Unter- und Oberseite aufgelegt (PTFE-Folie ca. 15 × 15 cm²; mittige Platzierung). Die Folie wirkt als Trennmittel für seitlich auslaufendes Harz.On the samples, a PTFE film was placed on each of the lower and upper sides (PTFE film about 15 × 15 cm ² , centered). The film acts as a release agent for laterally leaking resin.

Mit der Folie wurde die Probe in eine beheizbare und auf ca. 80°C vorgeheißte Hydraulik-Presse eingelegt. Innerhalb von 10 min wurde der Druck auf ca. 25 MPa (mit Grundfläche der Probe resultiert eine Kraft von 30 kN) erhöht.With the film, the sample was placed in a heated and preheated to about 80 ° C hydraulic press. Within 10 minutes, the pressure was increased to about 25 MPa (with base area of the sample results in a force of 30 kN).

Der Druck wurde für ca. 30 min aufrechterhalten. Danach wurde die Heizung abgeschaltet. Wahlweise kann die Probe für eine vorgegebene Aushärtezeit in der Presse mit oder ohne Beheizung belassen werden.The pressure was maintained for about 30 minutes. After that, the heating was switched off. Optionally, the sample may be left in the press for a given curing time with or without heating.

Nach 12 Std. wurde die Probe aus der Presse entnommen, die Trennfolien entfernt durch einfaches Abziehen und Harzreste außerhalb des Filterpapiers entfernt.After 12 hours, the sample was removed from the press, the release liners removed by simply stripping and residual resin removed outside the filter paper.

Grundsätzlich kann das Filterpapier auf Probe belassen werden. Vorliegend erfolgte die Entfernung durch Abschleifen.Basically, the filter paper can be left to sample. In the present case, the removal was carried out by grinding.

Nach thermogravimetrischer Analyse und Leitfähigkeitsmessungen wies die Probe einen CNT-Gewichtsanteil von 56 Gew.% und eine elektrische Leitfähigkeit von 2500 bis 2600 S/m auf. After thermogravimetric analysis and conductivity measurements, the sample had a CNT weight fraction of 56% by weight and an electrical conductivity of 2500 to 2600 S / m.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

erste Lage Kohlenstoff-Nanoröhren first layer carbon nanotubes

1a, 1b, 1c ....1a, 1b, 1c ....

Kohlenstoff-Nanoröhren Carbon nanotubes

22

zweite Lage Kohlenstoff-Nanoröhren second layer of carbon nanotubes

2a, 2b, 2c ....2a, 2b, 2c ....

Kohlenstoff-Nanoröhren Carbon nanotubes

1010

CNT-Agglomerat CNT-agglomerate

10.110.1

Oberseite des CNT-Agglomerats Top of the CNT agglomerate

2020

semipermeable Membran semipermeable membrane

20.1, 20.2, 20.3, 20.1, 20.2, 20.3,

20.4, 20.5, 20.620.4, 20.5, 20.6

Seitenflächenabschnitte der Membran Side surface portions of the membrane

20a, 20b, 20c, 20d,20a, 20b, 20c, 20d,

20e, 20f, 20g, 20h20e, 20f, 20g, 20h

Faltlinien der Membran Fold lines of the membrane

3030

Clip clip

4040

Polymerbad polymer bath

5050

Lösung (Polymer + Lösungsmittel) Solution (polymer + solvent)

6060

noch nicht ausgehärtete Polymermatrix not yet cured polymer matrix

7070

Presse Press

A, BA, B

Abstand zwischen den Faltlinien in der Membran Distance between the fold lines in the membrane

A1, A2, A3, A4A1, A2, A3, A4

Bewegungsrichtung des Polymers durch die Membran nach außen Direction of movement of the polymer through the membrane to the outside

I1, I2, I3, I4I1, I2, I3, I4

I5, I6, I7, I8I5, I6, I7, I8

Bewegungsrichtung des Polymers durch die und/oder von der Membran nach innen Direction of movement of the polymer through and / or from the membrane inwards

FF

Kraft force

R1, R2, R1’, R2’R1, R2, R1 ', R2'

Faltrichtung folding direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 7569637 B2 [0019] US 7569637 B2 [0019]
• US 7943065 B2 [0021] US 7943065 B2 [0021]
• US 2010/0000770 A1 [0023] US 2010/0000770 A1 [0023]
• US 2010/0090171 A1 [0024] US 2010/0090171 A1 [0024]
• US 2010/0203316 A1 [0025] US 2010/0203316 A1 [0025]
• US 2010/0227155 A1 [0026] US 2010/0227155 A1 [0026]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• DIN 53137 [0136] DIN 53137 [0136]

Claims (17)

Verfahren zur Herstellung eines Polymerkomposits, umfassend elektrisch leitfähige Nanopartikel, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs, carbon nanotubes) (1a, 1b, 1c ..., 2a, 2b, 2c ...), sowie eine Polymermatrix, die ein oder mehrere Polymere enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (1) Bereitstellen von Agglomeraten der elektrisch leitfähigen Nanopartikel, insbesondere CNT-Agglomerate (10); (2) Einpacken der Agglomerate (10) in eine, insbesondere flexibel ausgebildete, semipermeable Membran (20), so dass die Agglomerate (10) vollständig umhüllt sind; (3) Tränken der aus Schritt (2) erhaltenen, eingepackten Agglomerate (10) mit einem oder mehreren Polymeren, das/die vorzugsweise gelöst in ein oder mehreren Lösungsmitteln vorliegen; (4) Pressen, und bevorzugterweise anschließendes Aushärten, insbesondere unter Druck und/oder gezielt eingestellter Temperatur, der aus Schritt (3) erhaltenen Agglomerate (10); und (5) Zweckmäßigerweise entfernen der Membran (20) unter Erhalt des Polymerkomposits.Process for producing a polymer composite comprising electrically conductive nanoparticles, in particular carbon nanotubes (CNTs, carbon nanotubes) ( 1a . 1b . 1c ..., 2a . 2 B . 2c ...), as well as a polymer matrix which contains one or more polymers, the method having the following steps: (1) providing agglomerates of the electrically conductive nanoparticles, in particular CNT agglomerates (US Pat. 10 ); (2) packing the agglomerates ( 10 ) in a, in particular flexibly formed, semipermeable membrane ( 20 ), so that the agglomerates ( 10 ) are completely enveloped; ( 3 ) Soak the ones from step ( 2 ), packed agglomerates ( 10 ) with one or more polymers, preferably dissolved in one or more solvents; (4) pressing, and preferably subsequent curing, in particular under pressure and / or deliberately set temperature, which results from step ( 3 ) obtained agglomerates ( 10 ); and (5) Conveniently removing the membrane ( 20 ) to obtain the polymer composite. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerate (10) aus Schritt (1) CNT-Agglomerate sind, die ausgewählt werden aus SWCNTs und/oder MWCNTs, mit geordneter oder ungeordneter Orientierung, die verschlauft oder unverschlauft sein können.Process according to claim 1, characterized in that the agglomerates ( 10 ) from step ( 1 ) Are CNT agglomerates selected from SWCNTs and / or MWCNTs, with ordered or disordered orientation, which may be loopy or un-looped. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpacken von Schritt (2) durchgeführt wird durch a) Platzieren der Agglomerate (10), insbesondere mittig, auf einer semipermeablen Membran (20) mit bevorzugt viereckiger, insbesondere quadratischer Form; b) aufeinanderfolgendes Umklappen und Falten sämtlicher Seitenflächenabschnitte (20.2, 20.4, 20.6 und 20.8) der Membran (20) auf die Agglomerate (10).Method according to claim 1 or 2, characterized in that the packing of step ( 2 ) is carried out by a) placing the agglomerates ( 10 ), in particular in the middle, on a semipermeable membrane ( 20 ) with preferably quadrangular, in particular square shape; b) successively folding over and folding all side surface sections ( 20.2 . 20.4 . 20.6 and 20.8 ) of the membrane ( 20 ) on the agglomerates ( 10 ). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Membran (20) derart ausgewählt werden, dass beim Umklappen und Falten die Seitenflächenabschnitte (20.2, 20.4, 20.6 und 20.8) der Membran (20) jeweils deckungsgleich übereinander auf den Agglomeraten (10) zu liegen kommen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the dimensions of the membrane ( 20 ) are selected such that when folded over and folded the side surface sections ( 20.2 . 20.4 . 20.6 and 20.8 ) of the membrane ( 20 ) each congruently one above the other on the agglomerates ( 10 ) come to rest. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (10) derart semipermeabel ausgestaltet wird, dass das oder die Polymere, welche die Polymermatrix bilden, durchgelassen werden, aber die elektrisch leitfähigen Nanopartikel (1a, 1b, 1c ..., 2a, 2b, 2c ...) der Agglomerate (10) zurückgehalten werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 10 ) is made semipermeable in such a way that the polymer or polymers which form the polymer matrix are transmitted, but the electrically conductive nanoparticles ( 1a . 1b . 1c ..., 2a . 2 B . 2c ...) of the agglomerates ( 10 ) are held back. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) als Aufnahme- und Abgabesystem für das oder die Polymere ausgestaltet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 20 ) is designed as a receiving and dispensing system for the polymer or polymers. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) ausgewählt wird aus Filterpapier, Filz, Geweben oder Gewirken aus Polymer-, Glas-, Mineral-, Kohlenstoff- oder Naturfasern.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 20 ) is selected from filter paper, felt, woven or knitted fabrics of polymer, glass, mineral, carbon or natural fibers. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken gemäß Schritt (3) in einem Polymerbad (40) durchgeführt wird, welches das oder die Polymere in ein oder mehreren Lösungsmitteln gelöst aufweist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the impregnation according to step ( 3 ) in a polymer bath ( 40 ), which comprises the polymer or polymers dissolved in one or more solvents. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken gemäß Schritt (3) in einem Polymerbad (40) bei einer Temperatur oberhalb Raumtemperatur, bevorzugt im Bereich von etwa 30 bis etwa 70°C, bevorzugter etwa 40 bis etwa 60°C und gegebenenfalls unter Einsatz von Vakuum durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the impregnation according to step ( 3 ) in a polymer bath ( 40 ) at a temperature above room temperature, preferably in the range of about 30 to about 70 ° C, more preferably about 40 to about 60 ° C and optionally carried out using vacuum. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen gemäß Schritt (4) unter Verwendung von Wärme bei einer Temperatur oberhalb Raumtemperatur durchgeführt wird, wobei die Membran (20) gleichzeitig als Polymerspeicher und/oder Polymerquelle zur Aufnahme und/oder Abgabe der ein oder mehreren Polymeren fungiert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pressing according to step ( 4 ) is carried out using heat at a temperature above room temperature, the membrane ( 20 ) simultaneously acts as a polymer reservoir and / or polymer source for receiving and / or delivering the one or more polymers. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten unter Druck gemäß Schritt (4) unter Einstellen eines Drucks, um die gewünschte Dicke und/oder Porenfreiheit des Komposits zu erhalten, und für eine Zeitdauer und Temperatur durchgeführt wird, die ausreicht, um den Polymerkomposit auszuhärten.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the curing under pressure according to step ( 4 ), adjusting a pressure to obtain the desired thickness and / or pore-free of the composite, and for a time and temperature sufficient to cure the polymer composite. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Polymerkomposit zusätzlich zu den Agglomeraten weitere Füllstoffe, insbesondere elektrisch leitfähige Füllstoffe, beispielsweise Graphene, Leitfähigkeitsruße oder Fullerene, zugegeben werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the polymer composite in addition to the agglomerates further fillers, in particular electrically conductive fillers, such as graphenes, conductivity carbon blacks or fullerenes are added. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstützeinrichtung, insbesondere eine Pressform, vorgesehen wird, die zumindest einen Teilbereich der Membran während des Pressens aus Schritt (4) abstützt, wobei die Stützeinrichtung bevorzugt Abführmittel aufweist, durch die das auszupressende Polymer abführbar ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a support device, in particular a mold, is provided, which at least a portion of the membrane during pressing from step ( 4 ), wherein the support means preferably comprises laxative, through which the polymer to be squeezed is discharged. Polymerkomposit, umfassend elektrisch leitfähige Nanopartikel, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs, carbon nanotubes) (1a, 1b, 1c ..., 2a, 2b, 2c ...), erhältlich mit dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.Polymer composite comprising electrically conductive nanoparticles, in particular carbon Nanotubes (CNTs, carbon nanotubes) ( 1a . 1b . 1c ..., 2a . 2 B . 2c ...), obtainable by the method according to one of the preceding claims. Polymerkomposit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Komposit einen Gewichtsanteil an elektrische leitfähigen Partikeln (1a, 1b, 1c ..., 2a, 2b, 2c ...) > 20 Gew.-%, bevorzugt > 30 Gew.-%, noch bevorzugter > 40 Gew.-%, insbesondere > 50 Gew.-% aufweist.Polymer composite according to claim 14, characterized in that the composite contains a proportion by weight of electrically conductive particles ( 1a . 1b . 1c ..., 2a . 2 B . 2c ...)> 20 wt .-%, preferably> 30 wt .-%, more preferably> 40 wt .-%, in particular> 50 wt .-%. Polymerkomposit nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerkomposit im Wesentlichen porenfrei ist.Polymer composite according to claim 14 or 15, characterized in that the polymer composite is substantially free of pores. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend (1) Vorrichtung zum Platzieren von Agglomeraten (10) von elektrisch leitfähigen Nanopartikeln, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs, carbon nanotubes) (1a, 1b, 1c ..., 2a, 2b, 2c ...), auf einer semipermeablen Membran (20); (2) Vorrichtung zum Falten der Membran (20), um die Agglomerate (10) vollständig zu umhüllen; (3) Vorrichtung zum Tränken der aus Schritt (2) erhaltenen eingepackten Agglomerate (10) mit einem oder mehreren Polymeren in Lösung (50) und (4) Vorrichtung zum Pressen und bevorzugterweise anschließenden Aushärten unter Druck der aus Schritt (3) erhaltenen Agglomerate (10) unter Erhalt des Polymerkomposits.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, comprising (1) device for placing agglomerates ( 10 ) of electrically conductive nanoparticles, in particular carbon nanotubes (CNTs, carbon nanotubes) ( 1a . 1b . 1c ..., 2a . 2 B . 2c ...), on a semipermeable membrane ( 20 ); (2) Device for folding the membrane ( 20 ) to the agglomerates ( 10 ) completely enveloped; (3) Device for impregnating the step ( 2 ) received wrapped agglomerates ( 10 ) with one or more polymers in solution ( 50 ) and (4) A device for pressing and preferably subsequent curing under pressure which is obtained from step ( 3 ) obtained agglomerates ( 10 ) to obtain the polymer composite.

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