Mischen des Unvermischbaren

Neuartiger Ansatz zur effizienten Verschmelzung verschiedener Polymere

24.01.2020 - Japan

Vernetzte Polymere sind Strukturen, bei denen große Molekülketten miteinander verbunden sind, die außergewöhnliche mechanische Eigenschaften und chemische Beständigkeit gegenüber dem Endprodukt ermöglichen. Ihre Änderung ist jedoch nicht einfach. Jetzt entwickeln Wissenschaftler am Tokio Institute of Technology eine Methode, die es ermöglicht, verschiedene Polymere einfach miteinander zu verschmelzen und die Eigenschaften des Endmaterials durch die Auswahl geeigneter Basispolymere und deren Mischung im richtigen Verhältnis genau abzustimmen.

Polymere, große Molekülketten, die aus kleinen, sich wiederholenden Untereinheiten bestehen, sind überall um uns herum und auch in uns selbst zu finden. DNA und Proteine sind einige bekannte natürliche Polymere. Im Gegensatz dazu wurden synthetische Polymere, wie z.B. Kunststoffe, erstmals vor etwa einem Jahrhundert hergestellt, haben aber seither aufgrund ihrer erstaunlichen Eigenschaften ihren Weg in unser tägliches Leben gefunden. Polymere können entsprechend ihrer konstituierenden Untereinheiten maßgeschneidert werden, um ihnen viele wünschenswerte Eigenschaften zu verleihen, wie z.B. mechanische Festigkeit, Dehnbarkeit, Durchlässigkeit und so weiter.

Eine weitere Möglichkeit, noch mehr Funktionalitäten in Polymeren zu erhalten, ist deren Vernetzung. Vernetzte Polymere (Cross-linked polymers, CPLs) sind Polymere, die durch spezielle Vernetzungsmoleküle miteinander verbunden sind. Bestimmte CPLs weisen aufgrund ihrer ineinander greifenden dreidimensionalen Strukturen hervorragende Eigenschaften auf. Motiviert durch die potenziellen Anwendungen hat ein Forschungsteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Professor Hideyuki Otsuka kürzlich einen Durchbruch auf diesem Gebiet erzielt: Es gelang ihnen, verschiedene CPLs durch einen beispiellosen Ansatz miteinander zu vernetzen. "Die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Verschmelzung verschiedener CPLs würde eine Revolution in diesem Bereich bringen, da ihre mechanischen Eigenschaften in einem operationell einfachen Prozess leicht und systematisch eingestellt werden können", erklärt Otsuka.

Die Forscher erreichten dieses Kunststück, indem sie in dem von ihnen verwendeten Vernetzungsmolekül nach oben schalteten. Damit ein CPL selbstheilende Eigenschaften hat, was für viele Anwendungen sehr attraktiv ist, müssen die Polymere durch so genannte dynamische kovalente Bindungen verbunden werden. Diese Bindungen ermöglichen auch die Verschmelzung verschiedener Arten von CPLs, aber die Kohlenstoffmoleküle, die in den derzeit verfügbaren Linkern verwendet werden, sind anfällig für Oxidation, was die Verschmelzung und Verarbeitung von CPLs in Masse erschwert. Dieses Forschungsteam setzte ein Linker-Molekül, genannt BiTEMPS, ein, das Polymere über eine zentrale kovalente Schwefel-Schwefel-Bindung (S-S) vernetzt. Diese Bindung kann bei Temperaturen von mehr als 80°C vorübergehend halbiert werden, was einen Austausch zwischen verschiedenen Polymeren an den freien Enden, den sogenannten TEMPS-Radikalen, ermöglicht (siehe Abbildung 1). Durch diesen Spalt- und Wiederverbindungsprozess können verschiedene CPLs miteinander verschmolzen werden. Einer der Hauptvorteile der TEMPS-Radikale besteht darin, dass sie sehr stabil gegenüber Sauerstoff sind, was bedeutet, dass die gesamte Verarbeitung ohne Sauerstoffpflege erfolgen kann.

Um die Nützlichkeit ihres Ansatzes zu beweisen, vernetzten die Forscher zwei Arten von CPLs, von denen eine viel elastischer ist als die andere. Durch Heißpressen ihrer Mischung gelang es ihnen, die CPLs miteinander zu verschmelzen, und die mechanischen Eigenschaften des Endmaterials waren vom Verhältnis der verwendeten Roh-CPLs abhängig. "Die mechanischen Eigenschaften der verschmolzenen Proben konnten weitgehend abgestimmt werden, um sie so weich und elastisch wie gewünscht zu machen. Da die Vielfalt der verfügbaren Polymere nahezu unendlich ist, sollte es möglich sein, mit unserer Methode durch die sorgfältige Auswahl geeigneter Polymerzusammensetzungen und Mischungsverhältnisse Materialien zu erzeugen, die ein breites Spektrum an physikalischen Eigenschaften aufweisen", so Otsuka abschließend. Diese innovative Methode wird den Bereich der CPLs erheblich voranbringen und die Entwicklung hochgradig maßgeschneiderter Materialien für spezialisierte Anwendungen ermöglichen.

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