Elektrisch leitfähige Polymerfasern aus Nanoverbundwerkstoffen

Das Ziel dieser Arbeit ist eine Methode zur systematischen Entwicklung elektrisch leitfähiger Polymerfasern aus Nanoverbundwerkstoffen, die im Schmelzspinnprozess hergestellt werden. Dazu wird die zugrunde liegende Prozess- und Produktkette betrachtet. Diese umfasst das Compoundieren der Basismaterialien (spinnbare Polymere und elektrisch leitfähige Nanopartikel) zu elektrisch leitfähigen Compounds, das Schmelzspinnen der Nanoverbund-werkstoffe und das Verstrecken der schmelzgesponnenen Fasern.
Die systematische Entwicklung der Fasern basiert auf einer modellhaften Beschreibung des Entwicklungsprozesses, in der die technischen und wirtschaftlichen Aspekte berücksichtigt und deren Kennwerte quantifiziert sowie prognostiziert werden. Für den Entwicklungsprozess wird ein Vorgehen in mehreren Skalen (Labormaßstab, Pilotmaßstab und Technikumsmaßstab) gewählt, das mithilfe eines Spiralmodells beschrieben wird. Das Vorgehen entlang der Prozesskette in einer Skala wird mithilfe eines Phasenmodells dargestellt. Mit den Modellen wird zusätzlich die Beurteilung der Erfolgswahrscheinlichkeit und die Prognose der Entwicklungsdauer und -kosten ermöglicht. Die Vorteile der Entwicklung in mehreren Skalen werden durch ein hier entwickeltes Modell zur Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit erreicht. Das Modell umfasst den Energieeintrag im Extruder, die Veränderung der Kristallisation durch Nanopartikel, die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit im Spinn- und Verstreckprozess sowie die Perkolation in der Faser. Die Vorgehensweise wird auf zwei Beispiele angewendet - eine Elektrode für piezoelektrische Sensorfasern und hochtemperaturbeständige Fasern aus PEEK.