FAQs

1. Was ist das Netzwerk NanoCarbon?

Das Netzwerk NanoCarbon wurde im Mai 2013 mit Mitteln aus der ZIM-Netzwerkförderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gegründet. Es besteht aus zahlreichen Unternehmen und verschiedenen wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und wird von der Nanoinitiative Bayern gemanagt. Ziel des Netzwerks ist die Umsetzung von Forschungsergebnissen der Nanokohlenstoffmaterialien in innovative Anwendungen und Produkte bei den teilnehmenden Partnern.

2. Welche Ziele verfolgt das Netzwerk NanoCarbon?

Ziel des Netzwerks ist die Förderung der industriellen und ökonomischen Nutzung von Nanokohlenstoffmaterialien. Das Netzwerk NanoCarbon bündelt und nutzt dabei das vorhandene Know-How der Partner. Es forciert, begleitet und unterstützt einen schnellen Technologietransfer von Forschungs- und Entwicklungsergebnissen in kommerzielle Produkte. Durch eine enge Zusammenarbeit aller Partner und einen aktiven Informationsaustausch soll eine gemeinsame Technologieplattform gebildet werden. Über die Initierung und Förderung gemeinsamer Projekte sollen Wertschöpfungsketten vom Hersteller bis zum Endprodukthersteller geschlossen werden.

3. Welche Unternehmen und wissenschaftlichen Einrichtungen sind im Netzwerk NanoCarbon beteiligt?

Im Fokus des ZIM-Netzwerks stehen kleine und mittlere Unternehmen, die die technischen Potenziale von Nanokohlenstoffmaterialien schneller in marktgerechte Produkte umsetzen können. Beteiligt sind darüber hinaus verschiedene auf dem Markt gut etablierte Großunternehmen, die wichtige erforderliche Technologien verfügbar haben. Begleitet werden die Entwicklungen von zahlreichen wissenschaftlichen Forschungsinstituten mit einem fundierten Know-How auf dem Gebiet der Nanokohlenstoffe.

4. Können sich weitere Partner am Netzwerk NanoCarbon beteiligen?

Das Netzwerk NanoCarbon ist ein offenes Netzwerk zur Entwicklung innovativer Produkte für Nanokohlenstoffe. Es soll als Anlaufstelle für die Partner aus Industrie und Forschung fungieren und allen Mitgliedern fundiertes Know-How zur Herstellung, Verarbeitung, Anwendung und Entsorgung von Nanokohlenstoffen zur Verfügung stellen. Durch eine enge technologische Zusammenarbeit der Partner entlang verschiedener Wertschöpfungsketten und einen aktiven Informationsaustausch zu aktuellen Trends der Technologie sollen die Partner in die Lage versetzt werden, neue Anwendungen und Produkte für Nanokohlenstoffe am Markt zu etablieren und deren Kommerzialisierung zu unterstützen.

5. Welche Förderprojekte werden im Netzwerk NanoCarbon durchgeführt?

Das Netzwerk NanoCarbon unterstützt seine Mitglieder bei der Initiierung und Etablierung öffentlich geförderter Projekte im Bereich der Anwendungen von Nanokohlenstoffen. Die Fördermöglichkeiten umfassen sowohl Einzelprojekte wie auch Kooperationsprojekte mit industriellen wie auch wissenschaftlichen Partnern, an denen auch ausländische Partner teilnehmen können.

6. Wie können Unternehmen in Deutschland vom Netzwerk NanoCarbon profitieren?

Durch die Konzentration des Know-Hows auf dem Gebiet der Nanokohlenstoffe ist das Netzwerk NanoCarbon eine hervorragende Informationsplattform für alle Fragen rund um den Einsatz von CNTs in industriellen Anwendungen. Interessierte Unternehmen haben die Möglichkeit, gezielt Kontakt aufzunehmen und mit führenden Experten aus Industrie und Wissenschaft gemeinsam innovative Lösungsstrategien für Applikationen von Nanokohlenstoffen zu entwickeln. 

7. Was sind Nanokohlenstoffmaterialien?

Zu den heute bekannten Nanokohlenstoffmaterialien gehören neben den Fullerenen und den Carbon Nanotubes auch die Carbon Nanofibers, Graphene und Carbon Nanohorns, die sich alle weitgehend von den sp2-hybridisierten Graphenstrukturen des Kohlenstoffs im Graphit ableiten. 

Das Graphen ist eine einzelne Kohlenstoff-Lage des Graphits. Die in der Praxis vorkommenden Graphene sind in der Regel ein- bis mehrlagige, dünne Graphit-Plättchen.

Carbon Nanotubes (CNTs) kann man sich als gerollte, dünne Graphen-Lagen vorstellen. Sie können sowohl einwandig sein wie in den nur wenige Nanometer dicken Singe-Wall Carbon Nanotubes (SWCNTs) als auch mehrwandig wie in den allgemein ca. 10-20 nm dicken Multi-Wall Carbon Nanotubes (MWCNTs). An den Enden können sie offen oder geschlossen sein. 

Carbon Nanohorns (CNHs) lassen sich als sehr kurze, einseitig geschlossene Nanotubes verstehen.

Die historisch am längsten bekannten Fullerene sind einlagige, kugelförmige Moleküle aus reinem Kohlenstoff. 

Im Gegensatz zu diesen ein- bis wenige Molekülreihen dicken Kohlenstoffstrukturen sind die Carbon Nanofibers eine Vielzahl aufeinander gestapelter Graphenlagen mit jeweils geringer flächenmäßiger Ausdehnung im Nanometerbereich (< 100 µm).

8. Welche Eigenschaften haben Nanokohlenstoffe?

Die elektronischen Eigenschaften der Nanokohlenstoffe hängen sehr eng mit der genauen Struktur der jeweiligen Nanoobjekte zusammen. So kann die elektrische Leitfähigkeit in einwandigen Kohlenstoffnanoröhren – je nach Struktur – metallisch oder halbleitend sein. Bei niedrigen Temperaturen werden auch supraleitende Eigenschaften erreicht. Besonders spektakulär sind die mechanischen Eigenschaften von CNT und Graphenen. Bezogen auf ihr Gewicht haben sie eine vielfach höhere spezifische Festigkeit als Stahl und auch als Carbonfasern. Mit Carbon Nanohorns lassen sich sehr harte und reibfeste Oberflächen erzeugen. Carbon Nanofibers werden aufgrund ihrer gezackten Oberfläche oft als Katalysatorträger eingesetzt. Es gibt Untersuchungen, die darauf hindeuten, dass die Reibung durch den Einsatz von Graphenen deutlich reduziert werden kann. 

Für Anwendungen im Bereich der Elektronikindustrie sind vor allem die Strombelastbarkeit und die Wärmeleitfähigkeit interessant. Schätzungen gehen davon aus, dass die Strombelastbarkeit der Nanokohlenstoffe deutlich höher als in Kupferdrähten ist. Zudem ist die Wärmeleitfähigkeit höher als bei Diamanten – den besten natürlich vorkommenden Wärmeleitern.

9. Wie werden Nanokohlenstoffe verarbeitet?

Damit die Nanokohlenstoffe ihr einzigartiges Eigenschaftspotenzial voll entfalten können, müssen sie in der Regel zunächst vereinzelt und in dem jeweiligen Medium möglichst homogen dispergiert werden. Aufgrund ihrer extrem großen Oberfläche sind oft nur Gehalte bis zu wenigen Prozent möglich, bevor die Viskosität nach unendlich ansteigt. Andererseits kann durch die Zugabe von weniger als 1% Nanokohlenstoff in ansonsten nichtleitende Werkstoffe oft schon elektrische Leitfähigkeit erzielt werden.

Die Vereinzelung der Nanokohlenstoffe erfolgt in der Regel durch verschiedene bekannte energiereiche Dispergierverfahren, oft unterstützt durch Einsatz geeigneter Dispergierhilfsmittel. Dabei ist zu beachten, dass die selten zu verhindernde mechanische Schädigung der Nanopartikel auf ein Minimum beschränkt bleibt.

10. Welche Dispergiertechnologien für Nanokohlenstoffe gibt es?

Der Einsatz der für Nanokohlenstoffe jeweils am besten geeigenten Dispergiertechnologie hängt stark von der Viskosität des Mediums und der Art der betrachteten Nanokohlenstoffe ab sowie von der benötigten Menge. Während Perlmühle, Dissolver oder Ultraschallsonde weitgehend auf geringere Viskositäten und Konzentrationen beschränkt sind, können mittels Dreiwalzwerk oder Hochdruckscherdispergator auch höhere Viskositäten und Konzentrationen verarbeitet werden. Mittels Extrudertechnologie, insbesondere Zweiwellenschnecken, können Nanokohlenstoffe gut in sehr hochviskose Thermoplaste eingearbeitet werden, während sich das Hochenergiemahlen als gut geeignet für Metallpuver erwiesen hat.

11. Ist eine Funktionalisierung der Nanokohlenstoffe erforderlich?

Im Idealfall haben alle Nanokohlenstoffe eine sehr unpolare und wenig reaktive Oberfläche aus reinem Kohlenstoff. Durch Zusatz geeigneter Dispergiermittel lässt sich oft eine hinreichend gute Ankopplung an die Matrix erzielen. Wenn eine hohe mechanische Verstärkung erforderlich ist, reicht diese physikalische Anbindung oft nicht aus, so dass funktionalisierte  Nanokohlenstoffe eingesetzt werden, um auch höchste mechanische Festigkeiten zu realisieren.

12. Welche Produkte mit Nanokohlenstoffen gibt es bereits?

Erste Produkte mit CNTs aus dem Freizeitbereich sind seit längerem auf dem Markt. So hat beispielsweise der Sportgerätehersteller Völkl einen Tennisschläger mit CNTs hergestellt und Head verkauft Schläger, die Graphene enthalten. Carbon Nanotubes sind auch in Fahrradlenkern von Easton und Golfschlägern von Aldila zu finden. Darüber hinaus verwendet die finnische Eishockeymannschaft Schläger mit Zusätzen von CNTs. Weitere Anwendungen aus der Sportindustrie sind Fahrradhelme, Skier, Surfbretter, Baseballschläger und Sportschuhe aus CNT-haltigen Kunststoffen. 

Aber auch industrielle Produkte mit CNTs sind bereits erfolgreich gestartet. Beispiele dafür sind Kraftstoffleitungen und Kunststofffässer mit einer antistatischen Außenschicht, die dafür sorgt, dass sich entflammbare Flüssigkeiten nicht durch elektrostatische Entladungen entzünden können. 

13. Welche Produkte und Problemlösungen sind mittelfristig realisierbar?

Ein wichtiges Beispiel ist die Luftfahrtindustrie. Bei modernen Flugzeugen werden bereits rund 20-50 Prozent der tragenden Struktur aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Da derartige CFKs durch den Einsatz von CNTs noch einmal deutlich verbessert werden können und auch elektrisch leitfähige Heizbeschichtungen für die Enteisung in der Entwicklungspipeline sind, bietet die Luftfahrtindustrie dem Werkstoff Nanokohlenstoff in naher Zukunft hoch attraktive Einsatzmöglichkeiten. 

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Nanokohlenstoffmaterialien ist die nachhaltige Energieerzeugung mit Hilfe von Windkraftanlagen. Bis 2030 sollen vor den deutschen Küsten zahlreiche Off-Shore-Anlagen installiert werden, die eine Leistung von 20.000 bis 25.000 Megawatt aus Windkraft generieren. Die rauen Witterungsbedingungen auf hoher See setzten jedoch Verbundmaterialien voraus, in denen vor allem CNTs ihre Stärken im Leichtbau und bei der Flächenbeheizung zur Vermeidung von Vereisung ausspielen können.

Außerdem könnte durch den Zusatz von CNTs die Festigkeit von Beton zukünftig noch einmal um rund 50 Prozent gesteigert werden. Dieser Hochleistungsbeton wäre dann in der Lage, zu einer erhöhten Stabilität und Elastizität von Bauwerken beizutragen und damit einen wesentlich verbesserten Erdbebenschutz zu bieten.

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14. Wo kann ich Nanokohlenstoffe beziehen?

Die verschiedenen Nanokohlenstoffe können zum großen Teil von Mitgliedern des Netzwerkes NanoCarbon bezogen werden. FutureCarbon und Nanocyl sind wichtige Hersteller von Carbon Nanotubes und Nanofibers. Eckart stellt verschiedene Graphen-Qualitäten her und TIE ist Lieferant von Carbon Nanohorns. Fertige Dispersionen können von Nanocyl, FutureCarbon sowie von Altropol bezogen werden.

Weitere (internationale) Hersteller und Vertreiber von Nanokohlenstoffen sind:

Hyperion Catalysis International, Inc.

Arkema

Thomas Swan & Co. Ltd.

Unidym

Cheap Tubes Inc