Met heel weinig koolstofnanobuisjes zijn kunststoffen geleidend te maken. Mits je ze slim dispergeert.

Het is een kwestie van L/D oftewel lengte/diameterverhouding, zo maakt prof. Cor Koning duidelijk. Om elektrische geleiding te verkrijgen in een isolerende kunststof, moet je er dusdanig veel geleidende deeltjes doorheen mengen dat ze elkaar op voldoende punten raken. Zo ontstaat een ‘percolerend’ netwerk, waarin elektronen overal naartoe kunnen door van deeltje naar deeltje te springen. En uiteraard heb je dan minder materiaal nodig als je uitgaat van lange, dunne staafjes dan wanneer je bolvormige deeltjes gebruikt. Single Wall Carbon Nanotubes (SWNT’s) zijn er ideaal voor. Deze geleidende buisjes, opgebouwd uit één laag koolstofatomen, hebben een diameter van 1 à 3 nanometer. Ze zijn in de handel in lengtes van 1 tot 2 micrometer, wat een L/D van rond de duizend oplevert. Uit experimenten van Konings onderzoeksgroep in Eindhoven blijkt dat 0,2 tot 0,3 gewichtsprocent nanobuisjes in polystyreen al voldoende is voor een percolerend netwerk. De elektrische weerstand neemt daarbij af met een factor honderd miljard, van 10¹⁴ tot 10³ Ohm/cm.

Volgens Koning zit je daarmee tegen het niveau aan dat nodig is voor een halfgeleider. “Toepassing als transistor komt in beeld, maar antistatische toepassingen liggen meer voor de hand. Daarvoor is niet eens zo’n hoog geleidingsniveau nodig. Ik heb mensen uit de branche op bezoek gehad, die nemen al genoegen met films met een weerstand van 10⁶ of 10⁷ W/cm. Je zou kunnen denken aan het antistatisch maken van beeldbuizen, zodat ze minder stof aantrekken. Aan computerbehuizingen die hun inhoud afschermen tegen elektromagnetische interferentie. Of aan dameskleding waarvan de kunstvezels niet meer statisch worden opgeladen.”

Surfactant

Het is lastiger dan het lijkt. “Nanobuisjes worden geleverd als bundels van twintig tot zestig stuks”, legt Koning uit. “Die worden door zeer sterke Van der Waalskrachten bij elkaar gehouden. Als je de bundels zonder meer mengt met een hoogviskeus polymeer, heb je veel grotere hoeveelheden nodig voor een percolerend netwerk.”

De kunst is de bundels uit elkaar te krijgen én te voorkomen dat de losse nanobuisjes weer gaan klonteren, voordat ze gevangen komen te zitten in de polymeermatrix. In het verleden is wel geprobeerd polaire groepen aan de buisjes te hechten zodat ze elkaar zouden gaan afstoten, maar zo verander je ook de overige eigenschappen. Koning en de zijnen hebben daarom iets nieuws bedacht. Ze lossen de bundels op in een waterige oplossing van natriumdodecylsulfaat, een oppervlakteactieve stof (surfactant). Met een ‘milde’ ultrasone behandeling, die de bundels uit elkaar trilt maar de buisjes niet breekt, weten ze zo stabiele dispersies van individuele SWNT’s in water te maken. Zo’n dispersie mengen ze met een latex van een hoogmoleculair polymeer. Daarna verwijderen ze het water. Wat overblijft is een poedervormig mengsel van polymeer en nanobuisjes. Dat kunnen ze weer smelten om het verder te verwerken.

De onderzoekers hebben het eerst geprobeerd met polystyreen, een stof die van nature een vrij goede interactie vertoont met koolstofbuisjes. Maar dat laatste blijkt niet eens zo belangrijk. “Met polymethylmethacrylaat gaat het ook goed”, vertelt Koning. “Het lukt zelfs met polyetheen, een stof die zo’n interactie van nature helemaal niet vertoont. In principe kan het met elk polymeer dat zich ergens in zijn productieproces in water bevindt, al is het als monomeer. Dus ook met nylon, bijvoorbeeld.”

Oriëntatie

Koning weet nog niet in hoeverre de enorme intrinsieke stijfheid van de nanobuisjes de eigenschappen van het polymeer beïnvloedt. Bij die 0,3 procent verwacht hij weinig effect, maar wat als je er meer bij doet? En ook de verwerking kan verrassingen opleveren: “Tot nu toe hebben we alleen vormen geperst vanuit de smelt. Dan treedt geen oriëntatie op: de vezels liggen kriskras. Maar wat gebeurt er als je een folie of vezel verstrekt, of als je gaat spuitgieten? Het kan zijn dat we nog minder nodig hebben, maar ook dat er juist méér vezels nodig zijn. Dat wordt een punt van onderzoek voor de komende maanden.”

Oren Regev, Paul El Kati, Joachim Loos, Cor Koning, Adv. Mater.,
2004, Vol. 16, No. 3, 248-251