9_Die elektrischen Eigenschaften von Kunststoffen

0.9. Die elektrischen Eigenschaften von Kunststoffen
Wdhlg.: Leiter, Halbleiter, Isolatoren im Bändermodell
Kunststoffe sind in der Regel gute Isolatoren mit sehr kleiner elektrischer Leitfähigkeit. Sie können
deshalb als Dielektrika in Kondensatoren und als Isolierung von elektrischen Leitern eingesetzt werden.
Die dielektrischen Eigenschaften eines Stoffes können mit der Primitivität εr
(früher
Dielektrizitätskonstante εr) und dem Verlustfaktor tan δ (Delta) beschrieben werden.
Wie können wir uns das vorstellen?
Ausgangspunkt ist ein Plattenkondensator den Sie aus der Schule kennen.
Quelle: http://www.leybold-shop.de/plattenkondensator-54422.html
Quelle: http://www.ulfkonrad.de/physik/geraete/kondensator.htm
Quelle: http://www.wima.com/DE/basic.htm
Legen wir eine Gleichspannung U an den Kondensator an fließen solange Elektronen in den
Kondensator bis er mit einer Ladungsmenge Q aufgeladen ist und er seine maximale Kapazität C, seine
maximale Speicherfähigkeit erreicht hat. Es gilt die nachfolgende Beziehung:
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑧𝑖𝑡ä𝑡 𝐶 =
𝐿𝑎𝑑𝑢𝑛𝑔𝑠𝑚𝑒𝑛𝑔𝑒 𝑄
𝑆𝑝𝑎𝑛𝑛𝑢𝑛𝑔 𝑈
1 F (1 Farad) 1 F = 1 C / V = 1 As / V
Es gibt aber auch noch andere Größen, die die Kapazität C eines Kondensators beeinflussen.
a. Die Plattenfläche A ist direkt proportional zur Kapazität C
b. der Plattenabstand ist indirekt proportional zu Kapazität C und
c. der Stoff, der sich zwischen den Platten befindet.
Es ergibt sich dann
𝑃𝑙𝑎𝑡𝑡𝑒n𝑓𝑙ä𝑐ℎ𝑒 𝐴
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑧𝑖𝑡ä𝑡 𝐶 = 𝜀0 ∙ 𝜀𝑟 ∙ 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑎𝑏𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑 𝑑
Was sind denn 𝜀0 und 𝜀𝑟 für Größen?
𝜀0 – ist die elektrische Feldkonstante auch Permittivität des Vakuums oder Influenzkonstante
Die Konstante 𝜀0 ist praktisch eine absolute Bezugsgröße, sie beschreibt die Eigenschaft (Größe) des
durch die elektrischen Ladungen in dem Kondensator erzeugten elektrischen Feldes im Vakuum.
𝜀0 = 8,84 ∙ 10−12
𝐴𝑠
𝑉𝑚
Wird das Vakuum zwischen den Platten des Kondensators durch einen anderen Stoff ersetzt, ergibt
sich eine relative Änderung im Vergleich zum Ausgangszustand und diese Änderung wird mit der
relativen Permittivität 𝜺𝒓 beschrieben. Die Gleichung hatten wir schon
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑧𝑖𝑡ä𝑡 𝐶 = 𝜀0 ∙ 𝜀𝑟 ∙
𝑃𝑙𝑎𝑡𝑡𝑒n𝑓𝑙ä𝑐ℎ𝑒 𝐴
𝑃𝑙𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑎𝑏𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑 𝑑
Die relativen Permittivität 𝜀𝑟 ist praktisch nur ein Zahlenwert, der angibt, wie sich die Kapazität C des
Kondensators durch das Dielektrikum erhöht oder verkleinert.
In der Campus-Datenbank finden wir die relativen Permittivität 𝜀𝑟 als Dielektrizitätszahl bei 100 Hz
und bei 1 MHz nach IEC 60250
Schauen Sie sich die Beispiele in der nachfolgenden Tabelle an.
Eine relative Permittivität 𝜀𝑟 von 2,0 bedeutet also, dass mit diesem Dielektrikum sich die Kapazität C
des Kondensators verdoppelt.
Quelle:http://ww.fh-frankfurt.de/de/.media/~oehler/werkstoffe_kap10.pdf
Sie sehen, mit Hilfe von verschiedenen Dielektrika kann bei gleicher Bauform die Kapazität C eines
Kondensators erheblich variieren.
Aber warum verändern Kunststoffe als Dielektrika die Kapazität C eines Kondensators?
Die Ursache dafür ist die Polarisation, die Verschiebung von Ladungen in einem Stoff, wenn von außen
eine Kraft einwirkt. Wie das geht schauen wir uns jetzt an.
Es lassen sich hoch symmetrisch aufgebaute Kunststoffe herstellen, die so gut wie keine Polaritäten
innerhalb der Polymerketten besitzen und somit auch kein permanentes Dipolmoment zeigen.
Dennoch lassen sich durch angelegte Spannungen oder Krafteinwirkung solche Dipolmomente
induzieren.
Quelle:http://ww.fh-frankfurt.de/de/.media/~oehler/werkstoffe_kap10.pdf
Die in der Abbildung erfolgte Deformation der Struktur führt zu einer Verschiebung von elektrischen
Ladungen und führt zu einer Ungleichverteilung von positiven und negativen Ladungen oder
Teilladungen im Molekül oder im gesamten Werkstück. Der Vorgang wird als Polarisation oder
Ladungstrennung bezeichnet und führt zu einer messbaren elektrischen Spannung am Werkstück und
nur diese Effekte am Werkstück sollen uns hier interessieren.
Schauen wir uns zunächst die Möglichkeiten solch einer Ladungstrennung, solch einer Polarisation und
den damit vorhandenen Effekten an.
Stellen Sie sich bitte hier nicht zu viel vor.
Eine Spannung (Potential) entsteht zwischen positiven und negativen Teilchen oder wenn sich
irgendwo mehr Elektronen befinden und an einem anderen Ort diese fehlen. Ein elektrischer Strom ist
nichts weiter als die Bewegung von Elektronen, die zum Ausgleich dieser unterschiedlichen Ladungen
führt. Spannungen können deshalb nur entstehen bzw. gemessen werden wenn dieser Elektronenfluss
unterbrochen wird.
Was machen wir?
Wir bringen im einfachsten Fall unseren Kunststoff mit guten Isolatoreigenschaften (z.B. PE) in ein
elektrisches Feld (Plattenkondensator, Spule oder klemmen ihn an eine Batterie an) oder noch
einfacher, wir erzeugen durch Reibung zweier ungleicher Stoffe eine Ladungstrennung, eine TriboElektrizität (vom griechischen tribeia = reiben).
Das Aufwenden elektrischer oder mechanischer Arbeit führt zu einem Ladungstransfer von einem Stoff
zum anderen. Elektronen haben eine negative Ladung, deshalb wird Elektronenüberschuss als negativ,
Elektronenmangel als positive Ladung bezeichnet. Statisch ungleich geladene Teile ziehen sich an,
gleich geladene Teile stoßen sich ab.
Die Polarität der Aufladung ist abhängig von Permittivitätszahl, der relativen Permittivität 𝜺𝒓 .
Die Regel besagt,


dass Materialien, die eine hohe relative Permittivität 𝜺𝒓 (z.B. PA, Wolle Zellulose) aufweisen,
sich vorwiegend positiv aufladen,
während Materialien mit einer geringeren Permittivität 𝜺𝒓 (z.B. PE, PTFE, PS) entsprechen
negative Ladung erwarten lassen.
Bei Isolatoren gilt allgemein:
Bei Berührung lädt sich der Stoff mit der größeren relativen Permittivität 𝜺𝒓 positiv auf. Die
Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Geschwindigkeit der Trennung zweier Stoffe sind für die Höhe
der entstehenden Ladung entscheidend.
Bei niedriger Luftfeuchte erhöht sich der Oberflächenwiderstand und die Ladung kann schlechter
abfließen.
Bei schneller Trennung zweier Stoffe entstehen höhere Ladungen, da keine oder nur sehr kleine
Rückströme fließen können.
Quelle: http://www.kleinwaechtergmbh.de/cms/upload/downloads/allgemein/Ableitwiderstaende.pdf
Was für Effekte können wir beobachten?
1. Die elektronische Polarisation
Sie tritt bei allen Dielektrika auf und wird durch die Wirkung von elektrischen Feldern direkt
auf die Elektronenhüllen von Atomen, Ionen oder Molekülen bewirkt.
Quelle: http://ww.fh-frankfurt.de/de/.media/~oehler/werkstoffe_kap10.pdf
Diese Art der Polarisation tritt auch ohne äußere Felder auf. Elektronen führen innerhalb des
Moleküls Schaukelbewegungen, aus die zu induzierten Dipolen (van der Waalsche Kräfte)
führen (Siehe Kapitel 2).
2. Die ionische Polarisation
Sie tritt bei Ionenkristallen, wie NaCl auf und ist bei Kunststoffen, wegen des Fehlens von
echten Ionenkristallen nicht vorhanden. Lokale Kristallite in einigen speziellen Anwendungen
sollen hier nicht betrachtet werden.
Quelle: http://ww.fh-frankfurt.de/de/.media/~oehler/werkstoffe_kap10.pdf
3. Die Orientierungspolarisation
Sie ist eine sehr universelle Art der Polarisation, die gerade bei Makromolekülen vielfältig in
Erscheinung tritt. Viele Kunststoffe, Keramiken aber auch Metalle (Fe, Ni Co) oder Legierungen
(NsFeB) besitzen in ihrer Struktur Bereiche die sich in ihren Orientierungsverhalten
unterscheiden. Ihnen sollten diese Weißschen Bezirke (Domänen) aus der Materialkunde
bekannt sein.
Neodym-Eisen-Bor-Magnet
Quelle: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/110/ndfeb-domains.jpg (Bild links)
Quelle: http://physik.wissenstexte.de/magnetismus.htm (Bild rechts)
Quelle:
http://ww.fh-frankfurt.de/de/.media/~oehler/werkstoffe_kap10.pdf
Quelle: http://physik.wissenstexte.de/magnetismus.htm
Die paramagnetischen Metalle wie Cu, Al oder Pt (besitzen ungepaarte Elektronen deren
Elektronenspin sich nicht aufhebt), die durch die Wärmebewegung ihrer Atome
normalerweise nicht magnetisch sind können so zu Magneten werden (Schrotttrennung).
Kunststoffe sind als Isolatoren und deshalb relativ leicht einer Orientierungspolarisation zugänglich.
Quelle: http://ww.fh-frankfurt.de/de/.media/~oehler/werkstoffe_kap10.pdf
Sie sind deshalb gut für Kondensatoren geeignet. Sie können auch wegen ihres hohen inneren
Widerstandes sehr gut Ladungen von einander abschirmen.
Gut, die relative Permittivität εr wird durch Polarisation im Dielektrikum - also im Kunststoff verursacht aber was ist mit dem Verlustfaktor δ?
In der Campus-Datenbank wird er als Dielektrischer Verlustfaktor bei 100Hz und 1 MHz geführt.
Kondensatoren können nicht nur geladen sondern auch entladen werden und das ganze kann sich
schnell wiederholen. Wir betreiben jetzt den Kondensator oder besser gesagt das Dielektrikum des
Kondensators mit Wechselstrom.
Zunächst vereinbaren wir, dass die Wechselstromgrößen klein geschrieben werden, also die
anliegende Wechselspannung mit u und der fließende Wechselstrom mit i.
Ein Blick in unsere Campus-Datenbank zeigt uns, dass wir Wechselströme mit 100 Hz und 1 MHz zu
betrachten haben.
In einem Wechselstromkreis bekommt unser Kondensator ganz neue Eigenschaften, da das Umladen
des Kondensators eine bestimmte Zeit benötigt und die wird mit steigender Frequenz des
Wechselstroms immer knapper.
Das ist jetzt nicht mehr ganz so einfach und wir erhalten frequenzabhängige Exponentialfunktionen.
Was ändert sich jetzt?
Schauen Sie sich das nachfolgende Ersatzschaltbild für einen Kondensator an und stellen Sie sich ein
stetes verändern der Spannungspole und der Stromrichtung vor.
Unser Kondensator trägt die Bezeichnung BC und wird mit dem Wechselstrom iCK bei anliegender
zeitabhängigen besser frequenzabhängigen Wechselspannung uc(t) geladen und in umgekehrter
Richtung wieder entladen, dann wieder geladen usw.
Das geht aber nicht so einfach, da
zum einen bei niedrig frequenten Wechselströmen eine so genannte Restleitfähigkeit 𝑮= auftritt, der
Kondensator also praktisch wie ein kleiner Widerstand R wirkt und somit einen Verlust erzeugt,
zum andern bei hochfrequenten Wechselströmen eine so genannte Relaxation 𝑮~ auftritt, die
Polarisation also der Wechselstrom i hinkt praktisch der Frequenzänderung der Wechselspannung u
hinterher und wir erhalten einen Phasenwinkel 𝝓 der von den üblichen 90° abweicht. Ein idealer
Kondensator hat beim Umpolen einen Phasenwinkel (Phi) φ von 90° = π/2, der Verlustwinkel (Delta)
δ ergibt sich also aus = 90° - φ. Der Verlustfaktor δ ist der tan des Verlustwinkels δ.
Sie können sich auch die drei Wechselströme iC, iG und iCK als Vektordiagramm vorstellen.
𝒕𝒂𝒏 𝜶 =
𝒊𝑮
𝒊𝑪𝑲
Der Verlustfaktor ist dann praktisch das Verhältnis des nicht in den Kondensator fließenden
Wechselstroms iG und dem in den Kondensator fließenden Wechselstrom iCK.
Der Quotient aus beiden Wechselströmen wird als der Verlustfaktor δ bezeichnet.
Piezo-, pyro- und ferroelektrischen Eigenschaften von Kunststoffen
Erhebliches Entwicklungspotential besitzt die piezo-, pyro- und ferroelektrischen Eigenschaften von
Kunststoffen. Schauen wir uns deshalb zunächst ein paar physikalische und elektrochemische
Eigenschaften von diesen Dielektrika an.
Das hat nicht nur Vorteile, solche elektrostatischen Aufladungen (mehrere kV) können bei Textilien zu
ersthaften Problemen mit elektronischen Bauteilen führen.
Schauen wir uns einige Beispiele an:
Piezoelektrische Kunststoffe
Der piezoelektrische Effekt basiert auf einer mechanischen Änderung der Polarität eines Körpers. Wird
der Körper gestaucht ändern sich die Abstände der entgegengesetzten Ladungen und eine
Spannungsänderung wird erzeugt. Diese Spannungsänderung kann gemessen und ausgewertet
werden. Es entsteht ein Drucksensor. Ebenso kann durch Anlegen einer Spannung eine
Volumenänderung des Festkörpers erreicht werden und es entsteht ein Aktor.
Hervorragend ist mechanisch vorgestreckte ß-Polyvinyldifluorid (PVDF) für die Herstellung von
piezoelektrischen Folien geeignet.
Die Folie wird metallisiert und bei etwa 100°C einem starken elektrischen Feld ausgesetzt und wieder
abgekühlt. Die Ladungsverteilung bei angelegtem Feld wird praktisch eingefroren. Solche Folien
werden für Tastaturen und Hydrophone eingesetzt.
Anwendungsbeispiel: Quelle: http://www.techtrans.de/html/bereich/sensoren/054.htm
Piezoelektrische Folien aus PVDF sind sehr dünne (ab 9 µm) aktive elektromechanische Wandler, die ca. 12% einer mechanischen Energie in
elektrische Energie, und umgekehrt, umwandeln können. Damit sind sie sowohl als Sensor als auch als Aktuator verwendbar. Die hohe
Festigkeit und Empfindlichkeit des Materials erlauben den Einsatz in einem enormen Dynamik- und Frequenzbereich, in Dickenrichtung z.B.
von 10-8 - 105 N/cm2, bei Frequenzen von 0,001 Hz bis mehrere GHz. Diese können, je nach Auslegung der Elektronik, bereichsweise genutzt
werden. Neben den mechanisch verursachten Kräften und Verformungen registrieren PVDF-Sensorelemente auch Temperaturänderungen
und thermisch verursachte Spannungen. Mit entsprechend der Messaufgabe angepassten Miniaturverstärkern lassen sich so auch Multi-
Sensorsysteme erstellen, die vielfach Messprobleme lösen können, für die andere Sensoren ungeeignet sind. Die Gestaltung der aktiven
Sensorbereiche (Elektroden) sowie ihre Anordnung untereinander kann beliebig der Messproblematik angepasst werden.
Verstärkerplatine mit 16 Sensoren sowie einem Wanderwellen-Aktuator aus einer piezo-aktivierten PVDF-Kopolymerschicht.
Pyroelektrische Kunststoffe
Der pyroelektrische Effekt tritt nur an relativ wenigen Kunststoffen auf an besten untersuchte
Kunststoff ist wiederum das mechanisch vorgestreckte ß-PVDF. ß-PVDF liegt zu etwa 50% im
kristallinen Zustand vor. Wird es erwärmt verschieben sich die Kristallinen Strukturen gegen einander.
Dadurch ändert sich die Polarität und es wird eine Spannung erzeugt. Wir hatten beim
piezoelektrischen Effekt gesehen, dass in Kristallen durch die Lageänderung von Ladungsträgern (das
kann alles Mögliche an Ladungen sein, wie Ionen, polare Gruppen einzelne Freie Elektronen,
Wasserstoffbrücken- Bindungen usw.) Spannungen induziert werden können. Solche Lageänderungen
können nicht nur durch Druck- und Zugkräfte sondern auch durch Wärmezufuhr oder Wärmeentzug
ausgelöst werden. Die positive oder negative Wärmeausdehnung eines pyroelektrischen Festkörpers
erzeugt dann durch eine Verschiebung der Ladungsträger eine Spannung.
Technisch umgesetzt ist dieses Prinzip bei den Bewegungsmeldern, die auf IR-Strahlung
(Wärmestrahlung) reagieren.
Quelle: http://www.hs24online.de/images/products/alarmanlagen/home/Bewegungsmelder_g.jpg
Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Pyrosensor.jpg&filetimestamp=20100428122551
Die durch Wärmezufuhr oder Wärmeentzug auf der Oberfläche erzeugte Spannung wird durch
Elektroden (hier rot eingekreist) abgegriffen und meist mit einer Referenzspannung der Oberfläche der
abgewandten Seite verglichen. Es werden also nur Spannungsdifferenzen gemessen. Ein Ausdruck
dafür ist die so genannte pyroelektrische Polarisation Ppy.
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
Δ𝑃
𝑝𝑦 = 𝑝 ∙ ∆𝑇
𝑝 ist die pyroelektrische Konstante und ∆T die Temperaturdifferenz.
Eine Unterscheidung zwischen dem
echtem pyroelektrischen Effekt, der auf einem
temperaturinduziertem Gitterumbau basiert und dem falschem pyroelektrischen Effekt, der auf einer
temperaturinduzierten Änderung des Volumen-Ladungs-Verhältnis basiert soll hier verzichtet werden.
Ferroelektrische Kunststoffe
Können pyroelektrische Kunststoffe durch das Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes in ihrer
Polarität beeinflusst werden, d. h. tritt beim Anlegen des Magnetfeldes eine Spannungsänderung auf
werden diese Stoffe als ferromagnetische Stoffe bezeichnet.
Ein ferroelektrischer Effekt tritt nur in den kristallinen Strukturen von Kunststoffen. Er ist an die
Ausbildung von Domänen (Bereichen) gleicher Polarität gebunden. Zwischen diesen Domänen sind
dünne Wände ohne Polarität. Wird jetzt eine Spannung angelegt, können die Domänen ihre Polarität
umkehren, was bei piezo- und pyroelektrischem Effekt nicht geht. Es wird erwartet, das dieser Effekt
in naher Zukunft für die Datenspeicherung eingesetzt werde kann.
Ein Vertreter ist auch hier das PVDF.
http://www.kunststoffweb.de/ki_ticker/Polymerforschung_Ferroelektrische_Kunststoffe_kuehlen_t211852
Polymerforschung: Ferroelektrische Kunststoffe kühlen
Ein Kühlschrank, der ohne Kompressor, giftige Kühlmittel und meterlange Kühlschlangen auskommt, das ist der Traum von Qiming Zhang,
Professor am Institut für Materialwissenschaften der Pennsylvania State University (PSU). Sein Forschungsteam arbeitet an einer
Kühlmöglichkeit, die auf dem Einsatz elektrischer Felder und Kunststoffen basiert.
Bei den Versuchen wurden ferroelektrische Polymere – beispielsweise Copolymerisate von Polyvinylidenfluorid und Trifluoroethylen
respektive Chlorofluoroethylen – elektrischen Feldern ausgesetzt, die die bis dahin zufällige Molekülstruktur ordnen. Gleichzeitig gibt das
Material Wärme ab und wird selbst kühler. Im Labor wurde ein Temperaturunterschied von 22,6 Grad Fahrenheit (etwa 12 Grad Celsius)
erreicht.
Siehe auch: http://www.psu.edu
Eine schöne Übersicht zur Herstellung solcher Strukturen findet sich hier:
Quelle: http://www.uni-saarland.de/fak7/ige/downloads/HB_WdE_II_Teil4.pdf
Herstellung von ferroelektrischen Polymeren auf PVDF Basis
Das Polymer PVDF besteht aus einfach gebundenen Kohlenstoffketten (grau), deren freie Bindungen durch Fluoratome (rot) und
Wasserstoffatome (blau) gesättigt sind. Auf jedem zweiten Kohlenstoffatom findet man negative Fluoratome, die zusammen mit den
positiven Wasserstoffatomen Dipole bilden, die quer zur Molekülachse orientiert sind.
PVDF existiert in zwei Phasen:
Die α- Phase, im Temperaturbereich größer als 80°C
Die β- Phase, im Temperaturbereich kleiner als 80°C
In der α Phase sind die Dipole statistisch verteilt und die Nettopolarisation ist gleich Null. In dieser Phase verhält sich PVDF wie ein
gewöhnliches Dielektrikum. In der β Phase sind die Dipole in einer Richtung P orientiert, und das PVDF zeigt ferroelektrische Eigenschaften.
Elektrisch leitende Kunststoffe
Normaler weise sind Kunststoffe gute Isolatoren, aber durch einige Tricks kann auch hier ein Stromfluss
induziert werden und zwar entlang ausgerichteter Polymerketten.
Wer sollte hier die Ladungsträger, die Elektronen transportieren?
Praktisch werden verschiedene Verfahren eingesetzt.
Zum einen werden elektrisch leitende Zuschlagsstoffe wie Leitfähgkeitsruße (schwarz), Kohlefasern
(rot), Aluminiumpulver (grün) oder Edelstahlfasern (blau) in prozentualen Gehalten bis etwa 10 % bei
der Herstellung (Kalandrieren, Extrudieren) zugesetzt.
Quelle: http://www.heratech.ch/pdf/elk_herashield.pdf
Auf diese Art und Weise kann die elektrostatische Aufladung guter Isolatoren wie PE oder PP mit
Durchgangswiderständen von > 1016 Ω durch Absenken der Durchgangswiderstände auf < 106 Ω sicher
verhindert werden, vorgeschrieben sind 106 – 1011 Ω für EPA (Elektronikschutzzonen, engl.
Electrostatic Discharge Protected Area, NORM DIN EN 61340-5-1).
Auch hier kommt es bei den Durchgangswiderständen auf die Verarbeitung an:
Quelle:
http://www.simona.de/static/sites/default/de/assets/Informationsmaterial/deutsch/PI/Elektrisch_leitfaehige_Kunststoffe.pdf
Rußverteilung in leitfähig modifizierten SIMONA®PE-EL-Platten (schematisch, linkes Bild)
faserartige Orientierung der Rußpartikel in einer extrudierten Platte (mittleres Bild)
keine Orientierung der Rußstränge (Isotropie) in einer Pressplatte (rechtes Bild)
Der Zusatz von Ruß steigert als positiver Nebeneffekt die UV-Beständigkeit des Kunststoffes enorm.
Leider erhöhen sich auch die Viskosität, die Oberflächenhärte und die Steifigkeit bei einer Verringerung
der Flexibilität, Zähigkeit und thermischen Stabilität. Es muss also geschaut werden, ob das Werkstück
bei bestimmten Zuschlagsstoffen noch die Anforderungen erfüllt.
Einsatzbeispiele sind Tanksysteme für brennbare Flüssigkeiten und die chemische Industrie:
Quelle: http://www.heratech.ch/pdf/elk_herashield.pdf
Echte elektrisch leitende Polymere
Wir haben gerade gesehen, dass durch Zusätze eine gewisse elektrische Leitfähigkeit bei Kunststoffen
erreicht werden kann. Dennoch sind fast alle Kunststoffe gute Isolatoren, das liegt vor allem daran,
dass ihren die für die elektrische Leitfähigkeit notwendigen frei beweglichen Elektronen fehlen.
Was ist zu tun?
Sie kennen aus der Halbleitertechnik den Begriff der Dotierung. Ein Stoff der in seinem Gitter keine frei
beweglichen Elektronen besitzt und somit nicht leitend ist, wie z.B. Germanium Ge werden
Fremdatome eingepflanzt.
n-Halbleiter
p-Halbleiter
Quelle: http://www.realschule.bayern.de/lehrer/dokumente/untmat/ph/halbleit/1sthalbl.htm
Bei Kunststoffen kann etwas Analoges gemacht werden. Der Polymerkette werden durch chemische
Reaktion entweder zusätzliche Elektronen zugeführt, was einer Reduktion entspricht, oder der
Polymerkette werden durch chemische Reaktion Elektronen entzogen, was einer Oxidation entspricht.
So werden beispielsweise Polyacetylen (PAC)
und Poly(p-phenylen) elektrisch leitend, wenn man sie mit Brom, Iod oder Perchlorsäure dotiert
(oxidative Dotierung es entstehen Elektronenlöcher). Weitere wichtige elektrisch leitende Polymere
sind Polyanilin, dotiert mit Salzsäure und Polypyrrol (PPy) das sich durch oxidative Polymerisation an
der Anode als schwarzer Niederschlag abscheidet.
Quelle:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Polypyrrol2.svg&filetimestamp=20081011164401
(linkes
Bild)
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Polypyrrol (rechtes Bild)
Polypyrrol wird in der Sensortechnik, Solarzellentechnik und Mikrobiologie verwendet. Durch spezielle
Verfahren kann man selbst Enzyme auf der Polypyrroloberfläche immobilisieren.
Anwendungen sind Materialien für Elektroden und Batterieelemente, sowie antistatische
Beschichtungen. Durch geeignete Dotierung können den bisher genannten Polymeren auch
halbleitende Eigenschaften verliehen werden. Aus solchen Materialien bestehen beispielsweise
Polymer-Leuchtdioden. Für die Entwicklung leitfähiger Polymere wurde den Wissenschaftlern Alan J.
Heeger, Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa im Jahre 2000 der Nobelpreis für Chemie verliehen.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoff#Elektrisch_leitende_Polymere
Wie funktionieren die organischen Leuchtdioden (engl. organic light emittimg diode OLED)?
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Organische_Leuchtdiode
Funktion:
5 - Anode (+) die aus einer Glasscheibe mit einer Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Schicht
Auf
die
ITO
wird
oft
noch
eine
Schicht
aus
PEDOT/PSS
(Poly(3,4ethylendioxythiophen)/Polystyrolsulfonat) aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere für
Löcher dient und die Eindiffusion von Indium in den Übergang verhindert.
4 - Lochleitungsschicht 4 (engl. hole transport layer, HTL) enthält Indium also p-Leitung
Emitterschicht (engl. emitter layer, EL) enthält entweder den Farbstoff (ca. 5–10 %) oder – selten –
besteht vollständig aus dem Farbstoff (z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin), Alq3).
2 - Auf diese wird dann eine Elektronenleitungsschicht (engl. electron transport layer, ETL)
aufgebracht.
Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode
und ETL meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Cäsiumfluorid oder Silber aufgedampft.
1 - Zum Abschluss wird eine Kathode, bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer
Elektronenaustrittsarbeit wie zum Beispiel Calcium, Aluminium, Barium, Ruthenium, MagnesiumSilber-Legierung, im Hochvakuum aufgedampft.
Die Elektronen (= negative Ladung) werden nun von der Kathode (1) injiziert, während die Anode (5)
die Löcher (= positive Ladung) bereitstellt. Loch und Elektron driften aufeinander zu und treffen sich
im Idealfall in der EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird.
Elektronen und Löcher bilden einen gebundenen Zustand, den man als Exziton bezeichnet. Abhängig
vom Mechanismus stellt das Exziton bereits den angeregten Zustand des Farbstoffmoleküls dar, oder
der Zerfall des Exzitons stellt die Energie zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung. Dieser
Farbstoff hat verschiedene Anregungszustände. Der angeregte Zustand kann in den Grundzustand
übergehen und dabei ein Photon (Lichtteilchen) aussenden. Die Farbe des ausgesendeten Lichts hängt
vom Energieabstand zwischen angeregtem und Grundzustand ab und kann durch Variation der
Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden. Ein Problem stellen nichtstrahlende Triplett-Zustände
dar. Diese können durch Zugabe von sogenannten Exzitoren wieder gelöst werden.
Elektrische Bauteile auf Graphen-Basis
Quelle: Synthese von Graphenbändern aus Polyphenylen
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/feb/graphenbaender.shtm)