Projektkurs Naturwissenschaften am AVG 2012/13

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1 Projektkurs Naturwissenschaften am AVG 2012/13
Nanotechnologie AVG Wesel

2 Gliederung Allgemeines Erforschung anhand von Mikroskopen Nanopartikel
Lotuseffekt Mikroelektrische Schaltungen Die Besuche bei der BYK Herstellen eines elektr. Leitfähigen sowie eines kratzfesten Lackes Untersuchung der Lackproben Quellen AVG Wesel

3 Allgemeines Griechisch: ,,nanos“ Zwerg
Forschungsgebiet der kleinsten Dimension Definition: ,,Ein Teilchen mit einer oder mehreren Dimensionen in der Größenordnung von 100 nm oder weniger“ Spezielle Mikroskope dienen zur Erforschung Anwendung: Chemie, Halbleiter, Maschinenbau, Lebensmitteltechnologie AVG Wesel

4 Die Mikroskope Erster Uni-Besuch
Erforschung Die Mikroskope Erster Uni-Besuch AVG Wesel

5 Erforschung – Die Mikroskope I
Lichtmikroskop: Vergrößerung von Objekten durch Einsatz von Linsensystemen Verschiedene Methoden: 1) Durchstrahlmikroskopie: Lichtquelle durchdringt das Präparat von unten, Betrachtung von dünnen Objekten bzw. dünn geschnittenen Objekten 2) Aufstrahlmikroskopie: Lichtquelle von oben AVG Wesel

6 Beispiel: Handydisplay
AVG Wesel

7 Erforschung – Mikroskope II
Elektronenmikroskop: Vergolden des Präparats, Erzeugung von elektrischer Leitfähigkeit Abschießen von Elektronen durch eine Elektronenkanone durch Fokussierung des Elektronenstrahls wird die Oberfläche ab gescannt Abprallwinkel der Elektronen definieren die Oberflächenstruktur des Präparats AVG Wesel

8 AVG Wesel

9 Beispiel: Haifischschuppe
AVG Wesel

10 Erforschung – Mikroskope III
Rasterkraftmikroskop: Sonde liegt auf der Probe, welche an einem Federbalken befestigt ist Abtasten die Oberfläche der Probe durch die Sonde Laser misst die Auslenkung des Federbalkens Raster wird erstellt mittels Sonde: Spitze ist so groß wie ein Atom (extrem genaue Angabe der Oberfläche) AVG Wesel

11 Rasterkraftmikroskop
AVG Wesel

12 Rasterkraftmikroskop
AVG Wesel

13 Nanopartikel AVG Wesel

14 Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm
Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters. 1 nm = 0, m Was ist Nanotechnik? Was ist Nanotechnik?

15 Nanopartikel - Definition
werden auch Ultrafeinteilchen genannt Zusammenschlüsse von Nanopartikeln nennt man Agglomerate als kleinste Einheit definierte Teilchen, welche spezielle Eigenschaften aufweisen (z.B. Transport) sind maximal 100 nm groß Beeinflussung der Materialeigenschaften AVG Wesel

16 Nanopartikel - Herstellungsverfahren
Top-down (eng.: oben nach unten) Modifizierung größerer Objekte auf nanoskalige Ebene In der Industrie: Kugelmühlen dienen zur Zerkleinerung zerkleinertes Präparat (50 Mikrometer) kommt mit gehärteten Stahlkugeln in die Kugelmühlen Ergebnis: 3–25 nm große Partikel AVG Wesel

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18 Nanopartikel - Herstellungsverfahren
Mechanischer Stempel: Gebündelter Strahl von Elektronen bzw. Ionen brennen einen Krater in das Werkstück Durchmesser der Krater: 10 nm Formen eines Nanomusters Speicherung von Informationen mit hoher Dichte (z.B. DVD´s) AVG Wesel

19 Nanopartikel - Herstellungsverfahren
Bottom-up (unten nach oben) umgekehrte Produktionsrichtung als Top-down Verfahren Zusammenbauen ausgewählter Moleküle und Atome zur Produktion von Objekten mit speziellen Eigenschaften Verwendung von Katalysatoren und thermischer Energie zur Anordnung der Moleküle AVG Wesel

20 AVG Wesel

21 Nanopartikel – Herstellungsverfahren
Manuelle Verschiebung: Rasterkraftmikroskop ermittelt die Oberflächenstruktur Gehärtete Spitze verändert die Oberfläche Durch Van- der-Waals-Kräfte zieht die Spitze einzelne Atome an Neupositionierung durch elektrische Impulse AVG Wesel

22 Nanopartikel – Herstellungsverfahren
AVG Wesel

23 Beispiel CNT´s: Kohlenstoffnanoröhrchen
AVG Wesel

24 Was sind CNT´s? Kette von Kohlenwasserstoffen
wabenartig angeordnet (Graphen) bilden ein Netz hohe Stabilität durch diese Anordnung mehrere Monoschichten Graphen = Graphit erweiterte Form des Graphen durch spezielle tunnelförmige Anordnung AVG Wesel

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26 Nanopartikel - Anwendung
Oberflächenbeschichtung: Lacke, Optik, Gläser, selbstreinigende Eigenschaften Elektronische Leistungsverbesserung: höhere Leitfähigkeit, größere Speicher Medien Medizin: Krebsbekämpfung, Tumorbehandlung, Behandlung von Innen Textilien AVG Wesel

27 Nanopartikel - Risiken
viel komplexer als gedacht; mögliche unerwünschte Nebeneffekte erreichen jede Körperzelle (z.B. Autogase enthalten Nanopartikel, gelangen in die Lunge) unbewusste Reaktion auf die Umwelt falsche Anwendung in der Medizin können zu Langzeitfolgen führen AVG Wesel

28 Lotuseffekt Zweiter Uni-Besuch AVG Wesel

29 Funktionsprinzip widerlegt die Annahme ,,je glatter, desto sauberer“
extrem raue Oberfläche im Nanometerbereich bilden eine Schutzschicht Oberflächenspannung des Wassers verhilft zur Erhaltung der Tropfen anschließendes Abperlen der Tropfen in der Natur: hydrophobe Wachsschicht, verstärkt den Lotuseffekt der Pflanzen (20-50 Mikrometer große Noppen) AVG Wesel

30 Schematische Darstellung
AVG Wesel

31 Anwendungsbereiche Wandfarben z.B. selbstreinigende Fassaden
Imprägnier-Spray für Schuhe oder Ledersofa Lacke z.B. Autokarosserien Gläser, Spiegel etc. Schifffahrtsindustrie Natur, z.B. die Lotusblume (Namensgebend) AVG Wesel

32 Mikroelektrische Schaltungen
AVG Wesel

33 Mikroelektrische Schaltungen
Definition: Die Mikroelektrik ist ein Teil der Elektronik, genauer der Halbleiterelektronik, die sich auf den Entwurf von miniaturisierten Schaltungen spezialisiert hat. Abkürzung: IC = integrierte Schaltungen AVG Wesel

34 Mikroelektrische Schaltungen Transistor
Unerlässlicher Bauteil für Mikrochips dient zur Datenübertragung Mittels elektronischer Signale Miniaturisierung der Datenmenge wesentlich praktischer als die zuvor verwendeten Elektronenröhrchen Stromrichtung gibt die Datenflussrichtung vor Größe: 30 nm (ungefähr) AVG Wesel

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36 Zukunft von Graphen in Mikrochips
kleine Struktur mit hoher Speicherkapazität hohe elektrische Leitfähigkeit Möglichkeit Silicium als Transistormaterial zu ersetzen perfekte Eignung für Mikrochips Zu aufwändig und zu teuer in der Herstellung AVG Wesel

37 Herstellen eines Lackes mit erhöhter Kratzfestigkeit
In Zusammenarbeit mit der AVG Wesel

38 Aufgabenstellung Fiktiver Kundenauftrag:
Kunde möchte einen Lack mit erhöhter Kratzfestigkeit neuer UV-härtender Klarlack für z.B. Handydisplay Nanopartikel in Form von Additiven sollen helfen AVG Wesel

39 Teil 1: Anfertigung des Basislackes
Position Rohstoffe [g] 1 Desmolux VPLS 2265 Bindemittel, aliphatisches Urethanacrylat 182 2 Desmolux U100 136 3 2-(2-ethoxyethoxy) Ethylacrylat Reaktivverdünner 19,2 4 Dipentaerythritol-pentaacrylat 49,2 5 Irgacure 184 Fotoinitiator 13,6 6 Nanobyk 3605 / 3602 Additiv Jeweils 2, 4, 6% 7 LP-X-21192 Jeweils 2, 4, 6 % AVG Wesel

40 Teil 2: Einarbeiten der Nanopartikel in den Lack
Aufteilung in 10 Proben á 30 g Kontrollprobe Je 3 Proben mit: Nanobyk 3602 (30 % Aluminiumoxid - Nanopartikel (40nm)) Nanobyk (50 % Silica - Nanopartikel (20nm)) LP-X (20 % Böhmit – Nanopartikel (10nm)) in unterschiedlichen Konzentrationen (2-; 4-, und 6%) AVG Wesel

41 Teil 3: Applikation der Beschichtung
Auftragen der Proben auf einer schwarzen PMMA-Platte Vermeidung von Staub auf den Proben Direkte Aufbewahrung in dem UV-Kanal Härtung des Lackes Anschließende Verkratzung mit Crockmeter AVG Wesel

42 Teil 4: Die messbaren Ergebnisse
AVG Wesel

43 Fazit Bei allen Additiven gilt:
bei einer Konzentration von 6 % wurden die besten Ergebnisse gemessen Die Kratzfestigkeit des UV - Lackes wird durch das Additiv Nanobyk 3605 mit einer Konzentration von 6% am meisten verbessert kaum oder nur vereinzelte sehr kleine Kratzer Verkratzung ist kaum sichtbar, auch unter dem Mikroskop AVG Wesel

44 Bilder Rasterelektronenmikroskop Kontrollprobe ohne Kratzer

45 Bilder Rasterelektronenmikroskop Nanobyk 3602 - Übersicht
Starke Beschädigung

46 Bilder Rasterelektronenmikroskop Nanobyk 3605 - Übersicht
leichte Beschädigung

47 Bilder Rasterelektronenmikroskop LP-X-21192: Übersicht
Leichte Beschädigung

48 Bilder Rasterelektronenmikroskop LP-X-21192 Nahaufnahme
Einzelner Kratzer

49 fast ausschließlich Kratzer, 21 𝜇m breit
Zusammenfassung Kratzfestigkeit Nanobyk % Nanobyk % LP-X % Lichtmikroskop fast ausschließlich Kratzer, 21 𝜇m breit sehr wenige Kratzer, 21 𝜇m breit ein paar Kratzer, im Durchschnitt 𝜇m REM sehr starke Beschädigung der Platte sehr leichte Beschädigung, Kratzer sind nicht tief genug um bei Beschichtung mit Gold sichtbar zu werden leichte Beschädigung, vereinzelte Kratzer Glanzerhalt 64,5 % 98,5 % 96,2 %

50 Herstellen eines Lackes mit elektrischer Leitfähigkeit
Die Zusammenarbeit mit der AVG Wesel

51 Aufgabenstellung Fiktiver Kundenauftrag:
Kunde möchte elektrisch leitfähige Beschichtung Beschichtung soll Computerkomponenten vor elektr. Entladung schützen muss Flexibilität aufweisen und gewissen Temperaturen standhalten AVG Wesel

52 Teil 1: Anfertigung des Basislackes
Position Rohstoffe [g] 1 Bayhydrol E 155 Bindemittel, gesättigter Polyester 150 2 Cymel 327 Bindemittel, Melaminharz 23,4 3 Butylglykol Co-Lösemittel 12 4 Wasser Lösemittel 106,8 5 10%iges DEMA in H²O Amin 6 BYK-025 Entschäumer 0,9 7 BYK-307 Verlaufsadditiv AVG Wesel

53 Teil 2: Einarbeiten der CNT´s in den Lack
Aufteilung in 9 Proben à 30 g Kontrollprobe Probe mit CNT´s (unterschiedl. Konzentration 0,5-2%) Probe mit Leitruß (gleiche Konzentrationen wie CNT´s) jeweils 4 Proben pro Additiv CNT Leitruß Aussehen Röhrenförmig, wabenartig kugelförmig Größe 1-50 nm nm Produktion Unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Laser bzw. Gasentladung AVG Wesel

54 Teil 3: Applikation der Beschichtung
Auftragen der Proben auf verschiedene Substrate Ablüften lassen Einbrennen des Lackes bei 130°C Auswählen eines geeigneten Substrats Hitzebeständige PET-Folie AVG Wesel

55 Teil 4: elektrische Leitfähigkeit: Ergebnisse
Möglichst kleine Veränderung der Produkte CNT´s weisen bei geringer Konzentration bessere Produkte auf Leitruß ist nur in großen Mengen effektiv geringerer Kostenaufwand liegt bei den CNT´s Hoher Widerstand Niedriger Widerstand AVG Wesel

56 Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop (gezoomt) I
AVG Wesel

57 Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop II
AVG Wesel

58 Untersuchung unter dem Rasterkraftmikroskop
AVG Wesel

59 Fazit CNT´s sind kristallförmig
Bilden ein relativ regelmäßige Beschichtung Einige nicht beschichtete Flächen Lichtmikroskop reicht nicht aus Verunreinigungen treten auf AVG Wesel

60 Fragen? AVG Wesel

61 Quellen I http://flexikon.doccheck.com/de/Lichtmikroskop
AVG Wesel

62 Quellen II AVG Wesel

63 Quellen III http://f2.hs-hannover.de/typo3temp/pics/6586641761.png
Ordner der Byk-Chemie bzw. der Uni Duisburg-Essen Bereits erarbeitete Materialien (Moodle) AVG Wesel