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Netzwerk NanoCarbon: Innovative Produkte aus Nanokohlenstoffen Nanokohlenstoffe haben aufgrund ihrer extrem hohen Festigkeit und sehr hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein enormes technisches Potenzial. Das Netzwerk NanoCarbon wurde gegründet, um die beteiligten Netzwerkpartner dabei zu unterstützen, neue innovative verantwortungsbewusste Produkte auf Basis der Nanokohlenstoffe zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Das Kooperationsnetzwerk wird mit finanzieller Unterstützung des Bundeswirtschaftsministeriums vom Cluster Nanotechnologie gemanagt.

Kontakt Nanoinitiative Bayern GmbH Josef-Martin-Weg 52 D-97074 Würzburg E-Mail: [email protected] www.nanocarbon.net www.nanoinitiative-bayern.de

Ziele des Netzwerks Das Netzwerk zielt vor allem auf die Unterstützung kleiner und mittlerer Unternehmen bei der Umsetzung von Forschungsergebnissen zu Nanokohlenstoffmaterialien in innovative Anwendungen und Produkte ab. Kernaufgaben des Netzwerks NanoCarbon sind die Evaluierung wichtiger Marktchancen für Nanokohlenstoffe, die Identifizierung von neuen, aussichtsreichen Marktanwendungen, die Initiierung von produktorientierten Förder- und Entwicklungsprojekten, die Vernetzung der Partner entlang der Wertschöpfungsketten, die Weiterentwicklung der Prozesstechnologien, die Entwicklung und Etablierung von Pilot-Anwendungen, die Erarbeitung von Empfehlungen zum sicheren Umgang mit Nanokohlenstoffmaterialien sowie eine verständliche Kommunikation in der Öffentlichkeit und die Organisation von Workshops, Messeauftritten und weiteren Netzwerk-Veranstaltungen. NanoCarbon fungiert als Anlaufstelle für Partner aus Industrie und Forschung und beschäftigt sich mit der Herstellung, Verarbeitung, Anwendung,

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Produktion und Entsorgung von allen gängigen und neuen Nanokohlenstoffmaterialien. Die Partner werden dabei durch die Moderation des Netzwerkmanagements bei der Zusammenarbeit umfassend unterstützt. Nanokohlenstoffe Die heute bekannten Modifikationen von Nanokohlenstoffen leiten sich im Wesentlichen von Graphit als Grundstruktur ab. Die strukturell einfachste Nanokohlenstoffvariante besteht aus einer einzelnen, zweidimensionalen, ebenen hexagonalen Anordnung von Kohlenstoffatomen, d. h. aus einer einzelnen Graphitlage, dem sogenannten Graphen. Eine einzelne zu einer Röhre aufgerollte Graphitlage ist die sogenannte einwandige Kohlenstoffnanoröhre (Single Wall Carbon Nanotube, SWCNT). Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (Multi Wall Carbon Nanotubes, MWCNT) bestehen formal aus konzentrisch ineinandergeschobenen SWCNT (Russian-doll-Typ) oder auch aus einer zu einer mehrlagigen Rolle aufgewickelten Graphitschicht (Scroll-Typ). Darüber hinaus sind käfigartige Anordnungen von Kohlenstoffatomen, wie z.B.

C60-Fulleren und kurze einwandige, konisch zulaufende Kohlenstoffnanohörner (Carbon Nano Horns, CNH) bekannt.

Der heutige Wissensstand über die Eigenschaften von Nanokohlenstoffen ist aufgrund der inten­siven Forschung vor allem zu CNT und Fullerenen bereits sehr hoch. Bei Graphenen und Nanohörnern nimmt der Erkenntnisstand im Rahmen der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten derzeit rapide zu. Das Leuchtturmprojekt der EU, das die Erforschung des Graphens mit einer Milliarde Euro fördert, ist ein weiteres Indiz für die enormen Aktivitäten auf diesem Gebiet. Märkte Eines der zentralen Themen für die Entwicklung und Einführung neuer Produkte ist die Schließung kompletter Wertschöpfungsketten von der Herstellung der Nanokohlenstoffe über deren Funktionalisierung und Dispergierung in den jeweiligen Medien, über die Herstellung

von Halbzeugen und Formulierungen für einen einfachen Einsatz im nächstfolgenden Verarbeitungsschritt bis zum Einsatz des Zwischenprodukts in der Endanwendung. Alle Stufen dieser Wertschöpfungsketten müssen mit höchsten Qualitätsansprüchen durchlaufen werden, bis ein neuer Werkstoff oder ein fertiges Produkt auf dem Markt beim Verbraucher ankommt und u.a. den jeweiligen Zuverlässigkeitsanforderungen genügt.

Produkte mit Nanokohlenstoffen Wichtige Anwendungsfelder für Nanokohlenstoffe sind derzeit neben dem Einsatz in Kunststoffcomposites die moderne Energietechnologie und der Leichtbau, bei denen die Nanokohlenstoffe einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung leisten können, z.B. indem sie durch eine höhere mechanische Festigkeit bei einem gleichzeitig reduzierten Gewicht größere Windräder für Off-shore Windkraftanlagen erlauben, die ansonsten hinsichtlich des Gewichts der Rotorblätter in ihrer Größe beschränkt sind.

Abbildung 1 • Nanokohlenstoffe in verschiedenen vorkommenden Modifikationen. Die Bilder zeigen hochauflösende REM und TEMAufnahmen, in denen einzelne Kohlenstoffnanoröhren und einzelne monoatomare Schichten aus Kohlenstoff sichtbar sind. • Bildquelle: Nanoinitiative Bayern GmbH.

Weitere wichtige Anwendungen für Nanokohlenstoffe sind elektrisch leitfähige Kunststoffe, die vorzugsweise in Kraftfahrzeugen zur Verhinderung der elektrostatischen Aufladung aller mit Benzin in Kontakt kommenden Kunststoffteile eingesetzt werden sowie zur Ermöglichung der elektrostatischen Lackierung von Karosserieteilen. Darüber hinaus ermöglichen die zugesetzten Nanokohlenstoffe deutliche Leistungssteigerungen in Kautschuken, so dass hier mittelfristig ebenfalls von guten Marktchancen ausgegangen werden kann. Längerfristig ist auch von einem nicht unerheblichen Einsatzpotenzial im Elektro- und Elektronikbereich auszugehen, insbesondere im Bereich von Supercaps (Ultrakondensatoren) und Batterieanwendungen, die allerdings noch weit von ihrer Marktreife entfernt sind. Bedingt durch die hohe Leitfähigkeit innerhalb des Graphengitters und die spezielle Bandstruktur stellt Graphen für schnelle elektronische Bauelemente wie Transistoren in der Hochfrequenztechnik eine denkbare Alternative zu konventionellen Halbleitermaterialien dar. Graphen könnte auch das heute zur Herstellung von Touchscreens für Handys verwendete Indiumzinnoxid (ITO) verdrängen. Als Vorteil von Graphen gegenüber CNTs erweist sich dabei die hohe spezifische Oberfläche bei ungefähr gleicher elektrischer Leitfähigkeit. Zusätzlich zu Kohlenstoffnanoröhrchen und den Graphenen kommen auch die noch relativ jungen Kohlenstoffnanohörner zunehmend ins Blickfeld der Produktentwickler, da sie hinsichtlich ihrer leichten Dispergierbarkeit und geringen Agglomerationsneigung eine sehr interessante Performance aufweisen, insbesondere auch hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften der aus ihnen hergestellten Beschichtungen.

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Abbildung 2 • Das Schließen der Wertschöpfungsketten führt zu einer schnelleren Umsetzung in marktgerechte Produkte. • Bildquelle: Nanoinitiative Bayern GmbH.

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Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung, Entsorgungs- und Zulassungsfragen sowie Sicherheitsaspekte für Mensch und Umwelt auf allen Stufen der Wertschöpfungskette sind dabei wichtige Inhalte, die im Netzwerk zur Erschließung und Nutzung des Marktpotenzials von Nanokohlenstoffen adressiert werden.

Abbildung 3 • Informationen zum Stand der Technologie und Wissenschaft erhalten die Netzwerkpartner auf regelmäßig stattfindenden Fachtagungen und Konferenzen. • Bildquelle: Nanoinitiative Bayern GmbH.

Abbildung 4 • unten links Auf den Netzwerktreffen erfolgt ein exklusiver Informations­aus­ tausch zwischen den Netzwerk­ partnern und die Ideenfindung für die Entwicklung neuer Produkte. • Bildquelle: Altropol Kunststoff GmbH.

Abbildung 5 • unten rechts Durch Messeauftritte wird eine breitere Öffentlichkeit über ­wich­ti­ge Themen der Nanotech­ no­lo­gie und der konkreten Netzwerkarbeit informiert. • Bildquelle: Nanoinitiative Bayern GmbH.

Aufgaben des Netzwerks Das Netzwerk zielt vor allem auf die Unterstützung kleiner und mittlerer Unternehmen bei der Umsetzung von Forschungsergebnissen zu Nanokohlenstoffmaterialien in innovative Anwendungen und Produkte. NanoCarbon fungiert als Anlaufstelle für Partner aus Industrie und Forschung und beschäftigt sich mit der Herstellung, Verarbeitung, Anwendung, Produktion und Entsorgung von allen gängigen und neuen Nanokohlenstoffmaterialien. Die Partner werden dabei durch die Moderation des Netzwerkmanagements bei der Zusammenarbeit umfassend unterstützt. Hauptziel des Netzwerks ist es, die vorliegenden Erkenntnisse zum Einsatz von Nanokohlenstoffen in enger Zusammenarbeit mit den beteiligten Netzwerkpartnern zeitnah in marktgerechte Produkte und Anwendungen umzusetzen und den Erfolg für die beteiligten Unternehmen am Markt durch neue Technologien und Materialien zu unterstützen und zu beschleunigen. Mittelfristig werden damit den beteiligten Netzwerkpartnern Vorteile im internationalen Wettbewerb gesichert und langfristig wird eine deutschlandweite Nanokohlenstoff-Community etabliert.

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Die beteiligten Firmen werden durch das Netzwerk bei der effizienten Bearbeitung dieser übergeordneten Fragen unterstützt und gestärkt. Sie können damit gezielt wachsen und neue Arbeitsplätze hervorbringen. Darüber hinaus wird die erarbeitete Kompetenz zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil für alle im Netzwerk beteiligten Partner führen. Unsere Vision ist der Einsatz der Nanokohlenstoffe in vielen verschiedenen effizienten Funktionswerkstoffen zur Ressourcenschonung wie auch zur Senkung des Energiebedarfs und zur langfristigen Sicherung der Energieverfügbarkeit. Die Projekte zum Einsatz der Nanokohlenstoffe in zeitgemäßen Energiespeichern wie auch zum Einsatz im extremen Leichtbau sind ein erster Schritt zur Absicherung der Energiewende und stellen zugleich die Basis für neue Projektideen dar. Als wichtiger Aspekt für Entwicklungen im Bereich von Nanomaterialien generell wurden die Arbeitssicherheit bei ihrer Handhabung auf allen Stufen der Wertschöpfungskette identifiziert wie auch die Gewährleistung der Sicherheit der hergestellten Produkte über deren gesamten Lebenszyklus. Hierfür stehen den Firmen im Netzwerk NanoCarbon kompetente Ansprechpartner für alle Fragen betreffend Arbeits- und Produktsicherheit zur Seite.

Gemeinsame Entwicklungsprojekte Im Rahmen des Netzwerks NanoCarbon sind zahlreiche zielgerichtete FuE-Projekte zur Nutzung des Potenzials von Nanokohlenstoffmaterialien zwischen Instituten und Unternehmen geplant. Zunächst soll z. B. ein Verbundprojekt zum Thema „Lastwechselfeste Harze“ zur Erhöhung der Energieeffizienz von neuartigen Kurzfrist-Energiespeichern initiiert werden. Weitere Projektvorhaben umfassen die Entwicklung von ultrahochfestem Beton für langlebige Eisenbahnschwellen sowie von CFKBauteilen mit verbesserter Ankopplung von Carbonfasern an die Matrix, die Entwicklung von leitfähigen Barriere-Folien auf Basis von Graphen und die Entwicklung von elektrisch leitfähigen Materialien mit hoher spezifischer Oberfläche für den Einsatz in Lithium-Ionen Batterien und/ oder Superkondensatoren. Darüber hinaus sollen hocheffiziente Heizbeschichtungen für Haushalt und Industrie hergestellt und untersucht werden. Öffentlichkeitsarbeit Die Öffentlichkeitsarbeit stellt auch im Netzwerk NanoCarbon eine wichtige Säule der Netzwerkarbeit dar. Das Netzwerk präsentierte sich im letzten Jahr auf Veranstaltungen wie der 3. Fachtagung Nano-Kohlenstoff in Augsburg, der ersten Fachtagung Graphen in Erlangen sowie der 13. International Nanotechnology Exhibition& Conference (nanotech 2014) in Tokyo, die die weltweit größte Messe für Nanotechnologie darstellt. Auf allen diesen Veranstaltungen wurden Ziele und Inhalte des Netzwerks und der mitausstellenden Netzwerkpartner einer interessierten Öffentlichkeit vorgestellt. Neben dem Fachpublikum zählten auch eine Reihe von Politikern und interessierten Bürgern zu den Standbesuchern, denen auf diese Weise die verschiedenen Nanokohlenstoffmaterialien und deren Anwendungspotenziale näher gebracht werden konnte. Zusätzlich wurde vom Netzwerk NanoCarbon zusammen mit der Innovationsallianz Inno.CNT der 6. Jahreskongress in Karlsruhe organisiert. Dabei standen Verarbeitungstechniken und Anwendungen für Kohlenstoff-Nanomaterialien im Mittelpunkt der Veranstaltung. Die Zahl der Vorträge und Poster zeigte einmal mehr, dass Deutschland als ein wichtiger Standort für die Entwicklung wettbewerbsfähiger Technologien auf hohem Niveau für Kohlenstoff-Nanomaterialien angesehen werden kann.

Abbildung 6 • Neue Produkte aus und mit Nanokohlenstoffen halten Einzug in zahlreiche innovative Anwendungen für die Zukunft unserer Gesellschaft. • Bildquelle: FutureCarbon GmbH.

Internet-Auftritt Parallel zu den anderen Aktivitäten des Netzwerks stellt die Webseite www.nanocarbon.net seit November 2013 die zentrale Plattform für die Öffentlichkeitsarbeit dar. Sie bietet zahlreiches Informationsmaterial zum Netzwerk, seinen Zielen und den beteiligten Partnern. Neben den überragenden Eigenschaften der Nanokohlenstoffe und den Technologien zur Herstellung von Materialien und Produkten werden auch mögliche neue Anwendungen im Markt umfassend beschrieben. Des Weiteren stellen sich dort die einzelnen Netzwerkpartner mit ihren jeweiligen Arbeitsschwerpunkten, insbesondere im Hinblick auf die Nanokohlenstoffmaterialien, jeweils auf einer eigenen Seite dar. Speziell für die interessierte Öffentlichkeit enthält die Homepage auch einen Katalog an Fragen und Antworten, in dem ausführliche Informationen zur Handhabung und Sicherheit der Nanomaterialien gegeben werden. Perspektiven Seit seiner Gründung im Mai 2013 wird das Netzwerk NanoCarbon im Rahmen des zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert. Im Juni diesen Jahres wurde mit dem Eintritt in die zweite Förderphase die Förderung um zwei weitere Jahre verlängert. In diesem Zeitraum soll das Netzwerk aus der Förderphase in eine etablierte Einrichtung des Wissenstransfers überführt werden. Das Netzwerk NanoCarbon ist ein offenes Netzwerk und neue Partner sind jederzeit herzlich willkommen. Es ist geplant, das Netzwerk u. a. im Bereich Elastomerkomposite zu erweitern und darüber hinaus neue Ideen der neu hinzugekommenen Netzwerkpartner zu diskutieren und umzusetzen. Wenn Sie Interesse an der Mitarbeit im Netzwerk haben, dann fragen Sie gerne unter [email protected] nach Möglichkeiten zur Zusammenarbeit.

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Dr. Helmut Meyer Netzwerkmanager NanoCarbon Tel.: +49 2202 97598

Dr.-Ing. Peter Grambow Clustermanager und Geschäfts­ stellenleiter Tel.: +49 931 31 80570

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akteure iM NetZwerk Im Netzwerk NanoCarbon sind derzeit zwei Großunternehmen, sieben KMUs und acht Institutionen verbunden: futurecarboN gMbh FutureCarbon ist ein Spezialist für Nanokohlenstoffe und nanokohlenstoffhaltige Formulierungen und Anbieter von maßgeschneiderten Kompositen und Dispersionen für die weiterverarbeitende Industrie. NaNocYl sa Nanocyl wuchs in den letzten 10 Jahren seit seiner Gründung zu einem weltweit anerkannten und führenden Hersteller für Carbon Nanotubes sowie vieler daraus hergestellter Formulierungen heran. tie gMbh Die TIE GmbH bietet hochreine Kohlenstoffnanohörner als eine eigene nanoporöse Kohlenstoffvariante an, die ohne Funktionalisierung in reinem Wasser dispergiert werden können. eXakt gMbh Die Exakt GmbH ist Hersteller von Dreiwalzwerken und der Spezialist für eine schonende Dispergierung von Nanomaterialien in mittel- und hochviskosen Medien, insbesondere von Nanokohlenstoffen. altroPol kuNststoff gMbh Die Altropol Kunststoff GmbH ist Spezialist für die Erforschung und Entwicklung neuer Epoxid- und Polyurethansysteme, Silikone und Farbpasten, insbesondere für Kunststoffsysteme. hPs gMbh Die HPS GmbH wurde 2000 gegründet und hat sich auf die Fertigung von innovativen Leichtbau-Faserverbundstrukturen für die Raumfahrt spezialisiert.

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iNgeNieurbÜro fÜr leichtbau Das IfL ist ein anerkannter Spezialist für Schadensmodellierung, insbesondere bei mechanischen Beanspruchungen in Bauteilen aus faserverstärkten Werkstoffen. eckart gMbh Ein für das Netzwerk wichtiger Partner aus der Großindustrie ist die Eckart GmbH, die aktiv die Erforschung von Graphen betreibt und eine entsprechende Herstelltechnologie entwickelt. eNrichMeNt techNologY coMPaNY ltd (eNritec) Die Firma Enritec ist Weltmarktführer im Bereich der Zentrifugentechnologie und damit ein wichtiger Endprodukthersteller im Netzwerk für den Einsatz hochfester Leichtbaustrukturen. leibNiZ-iNstitut fÜr festkÖrPer- uNd werkstoffforschuNg (ifw) Das Leibniz-Institut für Festkörperund Werkstoffforschung in Dresden ist ein international führendes Institut in der naturwissenschaftlich fundierten Materialforschung. iNstitut fÜr verbuNdwerkstoffe gMbh (ivw) Das IVW in Kaiserslautern ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung auf dem Gebiet der Composites aus thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffen mit Faser- und Partikelverstärkungen. frauNhofer iNstitut fÜr ProduktioNstechNik uNd autoMatisieruNg (iPa) Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung ist ein weltweit anerkannter Spezialist für Nanokohlenstoffe und deren Einsatz in Kunststoff-Werkstoffen.

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frauNhofer-iNstitut fÜr cheMische techNologie (ict) Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie forscht und entwickelt in den Bereichen Energetische Materialien, Energetische Systeme, Umwelt Engineering und Polymer Engineering. frauNhofer-iNstitut fÜr werkstoffMechaNik (iwM) Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Schkopau arbeitet im Bereich der Synthese und Verarbeitung von Polymeren unter besonderer Berücksichtigung der Verarbeitungseinflüsse. leibNiZ-iNstitut fÜr PolYMer-forschuNg dresdeN e. v. (iPf) Das IPF ist ein anerkannter Spezialist für die Dispergierung der nanoskaligen Füllstoffe in polymeren Medien, insbesondere von solchen auf Kohlenstoffbasis wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. iNstitut fÜr kuNststoffe uNd verbuNdwerkstoffe der tu haMburg-harburg (tuhh) Das Institut für Polymer Composites der TUHH ist ein über die Grenzen Deutschlands hinaus bekanntes Hochschulinstitut für Nanocomposites und nanomodifizierte Verbundwerkstoffe. buNdesaNstalt fÜr arbeitsschutZ uNd arbeitsMediZiN (baua) Die BAuA ist eine Ressortforschungseinrichtung im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales. Sie forscht und entwickelt im Themenfeld Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.