Vorhabensbeschreibung
Laufzeit: 01.07.2016 - 30.06.2019
TP 1: Chemische Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren
Zur Erzielung der gewünschten Funktionalitäten des Kompositmaterials müssen CNTs mit dem Polymer fest verbunden werden. Dies soll durch eine polymerspezifische Funktionalisierung der CNTs erreicht werden. Für eine kovalente Anbindung der CNTs an Polymere während des Aushärteprozesses ist bereits die Gegenwart sauerstoff- oder stickstoffhaltiger Gruppen an der CNT-Oberfläche ausreichend. Die Einführung dieser funktionellen Gruppen wird durch die Behandlung der CNTs mit oxidierenden Säuren bzw. darauf aufbauender Defektstellenchemie erfolgen. Außerdem sollen mithilfe von Additionsreaktionen monomeranaloge Gruppen an die Seitenwände der CNTs eingeführt werden. Diese erlauben eine kovalente Anbindung bereits vor dem Aushärten des Polymers. Hierdurch werden eine hohe Dispergierbarkeit sowie eine gezielte Variation der Anbindungsdichte ermöglicht. Auch für das Druckverhalten der Dispersionen ist dies von Vorteil. Die Polymerisation bzw. Aushärtung der erhaltenen Dispersionen wird in enger Zusammenarbeit mit den Teilprojekten 2 und 3 durchgeführt.
TP 2: Sensoren aus CNT/Polymer-Kompositen
Zunächst wird mit den in Teilprojekt 1 funktionalisierten CNTs eine Polymer-basierte CNT-Dispersion entwickelt. Die funktionalisierten CNTs werden dabei unter Verwendung geeigneter Lösungsmittel im Polymer dispergiert. Durch Variation von Polymer, CNT-Funktionalisierung, des CNT-Anteils, Schichtdicke und anderer Prozessparameter können gezielte Anpassungen hinsichtlich der Empfindlichkeit der Komposite gegenüber Dehnung, Druck, Feuchtigkeit und Temperatur eingestellt werden. Für die Beurteilung der Dispersionsqualität, der Schichtqualität gedruckter Filme und der Funktionsmechanismen werden in Ergänzung zu Teilprojekt 4 verschiedene Eigenschaften, z. B. das elektrische und mechanische Verhalten sowie Benetzungsverhalten, Viskosität und Mikrostruktur experimentell analysiert. Die Entwicklung und Untersuchung von druckbaren Nanokompositen gemeinsam mit den anderen Teilprojekten stellt den Forschungsschwerpunkt des Projekts dar.
TP 3: Drucktechnische Herstellung von Sensoren und Sensormatrizen
Ziel des Teilprojektes ist die Herstellung von Sensoren und deren Kombination sowie Integration auf einem flexiblen Substrat auf Basis von Drucktechnologien. Die in Teilprojekt 2 hergestellten CNT-Polymer-Dispersionen sollen mittels Druckverfahren auf flexible Substrate (z. B. Kunststofffolie) übertragen werden. Dazu sollen unter anderem das Siebdruck- und Inkjetdruckverfahren verwendet werden. Dünne und homogene Sensorschichten mit Schichtdicken von 100 nm – 30 µm sollen so realisiert werden. Zur Kontaktierung der Sensorschichten werden die flexiblen Substrate strukturiert metallisiert, z.B. mit Fingerelektroden. Außerdem wird die Sensorschicht durch Aufbringen einer weiteren Druckschicht verkapselt. Darüber hinaus wird die Verdruckbarkeit der unterschiedlichen Materialien als Schichtstapel untersucht und damit die Druckparameter zur Verbesserung der Schichtenhomogenität optimiert. In enger Kooperation mit den Teilprojekten 1 und 2 werden stabile, verdruckbare Tintenformulierungen für die Sensorschicht entwickelt und optimiert und das Sensordesign gemeinsam mit den Teilprojekten 4, 5 und 6 erstellt.
TP 4: Messtechnische Auswertung und Impedanzspektroskopie
Teilprojekt 4 arbeitet an der Entwicklung eines geeigneter Mess- und Analyseverfahrens sowie einer geeigneten Messhardware. Hier soll durch geeignete Kombination von Messverfahren und Auswertealgorithmus der Gesamtaufwand für ein zukünftiges Messsystem reduziert werden. Bei der zu entwickelten Hardware sollen Möglichkeiten einer kabellosen Kommunikation zwischen Sensoren und Auswerteeinheit, z. B. durch Bluetooth, implementiert werden. Für die Analyse der dielektrischen Eigenschaften der Sensoren in Abhängigkeit von Feuchtigkeit, Kraft und Temperatur wird die Impedanzspektroskopie eingesetzt. Damit können die Zusammenhänge zwischen Herstellungsparametern und dem jeweiligen elektrischen Leitungsmechanismus bei definierten Randbedingungen hergestellt werden. Bei den Messungen fließen die Betrachtungen von Teilprojekt 5 zum Sensor- und Elektrodendesign ein. Die experimentellen Daten sollen durch geeignete R-C-Modelle, mit denen sich die dielektrischen Eigenschaften der Komposit-Materialien gewinnen lassen, ergänzt werden.
TP 5: Sensormodellierung
Die Materialentwicklung der Teikprojekte 1, 2 und 3 und die messtechnische Auswertung durch Teilprojekt 4 wird von Teilprojekt 5 durch die Modellierung und Simulation von Sensorelementen auf der Basis von CNTs unterstützt. Das Ziel ist die Entwicklung von Multiskalenmodellen mit elektrischen und mechanischen Schnittstellen, mit denen sich das zukünftige Sensorverhalten (Einfluss von Dehnung/Druck, Temperatur, Feuchtigkeit) schon während der Entwicklung vorhersagen lässt. Ein übergeordneter Systementwurf, z. B. Einbettung in Elektronik, wird dabei angestrebt. Ausgangspunkt ist der Entwurf von parametrischen Modellen, mit denen die Einflüsse verschiedener CNT-Parameter (z. B Länge, Defekte, Chiralität) und Wechselwirkungen der CNTs mit der Umwelt auf das gewünschtes Sensorverhalten untersucht werden kann. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse und Modelle des physikalischen Verhaltens werden anschließend für die Integration der CNTs in die Polymermatrix verwendet. Dabei soll die Nachbildung der Verteilung (z. B. nach Monte Carlo) der CNTs in die Matrix ein Schwerpunkt sein. Parallel dazu sollen die abgeleiteten Multidomänenmodelle durch geeignete Schnittstellen auf der Grundlage von Messergebnissen adaptierfähig sein. Dadurch können Modelleigenschaften mit Messergebnissen verifiziert und korreliert werden.
TP 6: Validierung der Sensoren/Anwendung
Die Professur Bewegungswissenschaft besitzt tiefgehende Expertise in Bezug auf neurophysiologische, biomechanische und physiologische Funktionsweisen des Körpers unter alltäglichen und sportlichen Belastungen. Durch einen Forschungsschwerpunkt im Bereich der Mechanorezeption des Menschen gehören Druckmessungen auch im klinischen Setting zum Standardrepertoire der Professur. Das Ziel des Teilbereiches besteht initial in der Konzeption eines Sensor-Anforderungsprofils. Dazu erfolgt eine umfassende Marktanalyse zur Kennwerterfassung etablierter Druckmesssysteme. Im Anschluss können mithilfe von Recherche und Erfahrungswerten konkrete Anforderungsspezifika, wie etwa relevante Belastungsgrenz- oder Auflösungskennwerte, formuliert werden. Im Zweiten Abschnitt des Projekts wird die Bewegungswissenschaft die Demonstratoren auf Gütekriterien und Einsetzbarkeit prüfen. Dazu werden die Sensoren in den vorgesehenen Belastungsszenarios im klinischen und sportlichen Bereich getestet.
