3.7 Andere Schaumstoffe
PEI ist ein Hochleistungspolymer mit einer hohen Tg (215°C), ausgezeichneter Flammwidrigkeit, geringer Rauchentwicklung und guten mechanischen Eigenschaften . Die Schmelztemperatur von PEI liegt bei 340-360°C. Daher wurde ein wasserdampfinduzierter Phasentrennungsprozess angewendet, um mikrozelluläre PEI/Graphen-Verbundschäume herzustellen. Ling et al. und Shen et al. verwendeten diese Methode zur Herstellung von PEI/Graphen-Verbundschäumen für die EMI-Abschirmung. Die Dichte der PEI/Graphen-Nanokomposit-Schaumstoffe betrug etwa 300 kg m-3 mit einem durchschnittlichen Zelldurchmesser zwischen 15 und 9 μm bei Graphengehalten zwischen 0 und 10 Gew.-%. PEI wird aufgrund seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit (1,2 × 10-19 S cm-1) für elektronische Verpackungen verwendet. Die Zugabe von Graphen erhöhte die elektrische Leitfähigkeit des Volumens drastisch und erreichte 2,2 × 10-5 S cm-1 bei 10 Gew.-% Graphen in Schäumen. Der EMI-SE von PEI/Graphen-Nanokomposit-Schaumstoffen mit 10 Gew.-% Graphen betrug etwa 11 dB. Der spezifische EMI SE von mikrozellulären PEI/GrFs betrug 36,1 dB cm3 g-1 für 7 Gew.-% und 44,1 dB cm3 g-1 für 10 Gew.-% im X-Band (8-12 GHz). Diese Art von PEI/Graphen-Nanokomposit-Schaumstoffen wies gut definierte thermische Isolations- und Dehnungseigenschaften auf. PEI-Schaumstoffe hatten eine Wärmeleitfähigkeit von 0,053 und 0,067 W m-1 K-1 bei 50 bzw. 200 °C. Mit der Einführung von Graphen sank die Wärmeleitfähigkeit von PEI/Graphen-Nanokomposit-Schaumstoffen allmählich auf 0,036 W m-1 K-1 bei 50°C und 0,040 W m-1 K-1 bei 200°C für mikrozelluläre Schaumstoffe mit 7 Gew.-% Graphen. Der Elastizitätsmodul des mikrozellulären PEI-Schaums stieg von 180 MPa für reinen PEI-Schaum auf 290 MPa für PEI/GrF mit 5 Gew.-% Graphen. Schließlich sank die Zugfestigkeit von PEI/Graphen-Nanokomposit-Schaumstoff drastisch von 8,2 auf 3,5 MPa bei 7 Gew.-%.
Shen et al. vertraten die Ansicht, dass magnetische Fe3O4-Nanopartikel aufgrund ihrer großen Sättigungsmagnetisierung zu den hohen komplexen Permeabilitätswerten von Graphen beitragen und die Absorptionseigenschaft für elektromagnetische Wellen verbessern könnten, was zu Polymerkomposit-Schaumstoffen mit starker Absorption elektromagnetischer Wellen führt. Die Einführung von Fe3O4 FG (3O4) wurde durch GrO in FeCl2-4H2O und FeCl3-6H2O Lösungen hergestellt und durch Hydrazin reduziert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Wert auf 11,2-14,3 dB für PEI/3O4 (7,0 Gew.-%) Schaumstoff und einen Wert von 14,3-18,2 dB für die gleiche Art von Schaumstoff mit 10 Gew.-% 3O4 im X-Band (8-12 GHz) anstieg. Der spezifische EMI-SE dieses Schaumstoffs betrug 41,5 dB cm3 g-1 bei 8-12 GHz. Ein Vergleich dieser beiden Ergebnisse zeigt jedoch, dass Fe3O4-Partikel die EMI-Eigenschaften nicht verbesserten.
Gedler et al. verwendeten 0,5 Gew.-% GNPs in PC-Graphen-Nanokomposit-Schaumstoffen niedriger Dichte (scCO2-Schäumung), um deren thermische Stabilität zu verbessern. Es wurde berichtet, dass sich die thermische Stabilität der Verbundschäume erheblich verbesserte, was mit einem kombinierten Effekt von geringer Wärmeübertragung aufgrund der zellulären Struktur und der Zugabe von Graphenplättchen zusammenhing, die eine physikalische Barriere bildeten und das Entweichen flüchtiger Produkte verhinderten.
Zegeye et al. verwendeten Graphenplättchen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von syntaktischen Schäumen. Syntaktische Schaumstoffe werden durch Dispergieren von hohlen Mikrokügelchen (Cenosphären) in einer Polymermatrix auf Epoxidbasis hergestellt. Syntaktische Schaumstoffe können in der Luft- und Raumfahrtindustrie als Kernmaterialien und ablative Barrierebeschichtungen eingesetzt werden. Syntaktische Schaumstoffe sind jedoch aufgrund der starren Mikrokugeln bei Druck sehr dehnbar, bei Zug jedoch extrem spröde. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Druckmodul um 26 % und der Zugmodul um 15 % verbesserte, wenn 0,3 Vol.-% GP (0,68 Gew.-%) im Vergleich zu den reinen Proben (30 Vol.-% hohle Mikrokügelchen) hinzugefügt wurden. Auch die Zugfestigkeit der syntaktischen Schaumstoffe wurde durch den Zusatz von 0,1 Vol.-% (0,23 Gew.-%) GP um 16 % verbessert, während die Druckfestigkeit konstant blieb. Daher können die mechanischen Eigenschaften von syntaktischen Schaumstoffen durch Verbesserung der GP-Dispersion erhöht werden.
Ellingham et al. verwendeten subkritische gasunterstützte Verarbeitung (SGAP), um Graphen in Polypropylen (PP)/Graphen-Nanokompositen durch Doppelschneckenextrusion zu exfolieren. Die Ergebnisse zeigten, dass mit dieser Verarbeitungsmethode im Vergleich zur Exfoliation mit Lösungsmitteln eine gute Exfoliation und Dispersion in PP erreicht werden konnte. Die Tg stieg von -20,5 auf -19,3 und -18,2°C, die Tdeg-max von 452 auf 455 und 460°C und die Wärmeleitfähigkeit von 0,235 auf 0,235 und 0,215 W m-1 K-1 bei 100°C für PP, PP + 0,5% Graphen und PP + 0,5% Graphen durch SGAP. Die Viskosität nahm während der Schmelzverarbeitung ab, wobei 0,5 Gew.-% Graphen mit der von SGAP verglichen wurden. Die Zugfestigkeit der mit Graphen beladenen SGAP-Proben verbesserte sich aufgrund des geringen Graphengehalts leicht.
Chen et al. entwickelten leichte und flexible Polydimethylsiloxan (PDMS)/Graphen-Verbundschäume für EMI-Abschirmungsanwendungen. Graphen wurde zunächst durch CVD von Methan bei 1000°C unter Umgebungsdruck auf einen Nickelschaum aufgewachsen, der die Struktur des Nickelschaums kopierte und ein 3-D-Netzwerk bildete. Eine PDMS-Lösung wurde durch Dotierung eines Basismaterials und eines Aushärtungsmittels in Ethylacetat im Verhältnis 10:1:100 hergestellt. Anschließend wurde eine dünne PDMS-Schicht auf die Graphenoberfläche aufgetragen. Danach wurde das Nickelschaumsubstrat mit HCl weggeätzt; man erhielt den Graphen/PDMS-Verbundschaum. Der Graphengehalt hing von der Methanflussrate während des Graphenwachstums mittels CVD ab. Die elektrische Leitfähigkeit stieg von 0,6 auf 2 S cm-1, als der Graphengehalt auf 0,8 Gew.-% anstieg. Es wurde gezeigt, dass dieser Verbundwerkstoff einen EMI SE von 20 dB im X-Band-Frequenzbereich (8-12 GHz) aufweist, und der spezifische EMI SE dieses Graphen/PDMS-Verbundschaums kann aufgrund seiner sehr geringen Dichte (0,06 g cm-3) 333 dB cm3 g-1 erreichen.
Zhao et al. untersuchten die thermischen Eigenschaften von Graphenschaum (GF)/PDMS-Verbundwerkstoffen. Graphen wurde zunächst mittels CVD auf Nickelschaumschablonen hergestellt. Eine GF-Probe mit den Abmessungen 10 × 10 × 1 mm3 wurde zunächst bei Raumtemperatur mit flüssigem PDMS (Sylgard 184, Dow Corning, Grundstoff/Härtungsmittel = 10/1 nach Gewicht) infiltriert. Anschließend wurde es getrocknet und 4 Stunden lang bei 80 °C ausgehärtet, um einen GF/PDMS-Verbundwerkstoff mit einem GF von 0,7 Gew.-% zu erhalten. Der GS/PDMS-Verbundwerkstoff wurde ebenfalls durch Lösungsmischung hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass GF/PDMS-Verbundwerkstoffe bessere thermische Eigenschaften haben als Graphenblatt (GS)/PDMS und reines PDMS. Die Wärmeleitfähigkeit von GF/PDMS-Verbundwerkstoffen erreicht 0,56 W m-1 K-1, was etwa 300 % der Wärmeleitfähigkeit von reinem PDMS entspricht und 20 % höher ist als bei GS/PDMS-Verbundwerkstoffen mit der gleichen Graphenbeladung (0,7 Gew.-%). Der thermische Ausdehnungskoeffizient beträgt 80-137 × 10-6K-1 im Bereich von 25-150°C und ist damit viel niedriger als der von GS/PDMS-Verbundmaterial und reinem PDMS. Die TGA-Analyse zeigte, dass die T20% von GF/PDMS von 515 auf 530 und 578°C (reines PDMS und GS/PDMS) anstieg. Die Autoren sind der Ansicht, dass GF/PDMS-Verbundwerkstoffe als vielversprechende thermische Schnittstellenmaterialien für das Wärmemanagement in elektronischen und photonischen Anwendungen eingesetzt werden können.