Auf Kommando ablösbare Klebstoffe

Oxidation hebt Klebekraft Muschel-inspirierter Kleber auf

23.09.2024

Moderne integrierte mikroelektronische Geräte sind oft schlecht reparierbar und nur schwer zu recyceln. Auf dem Weg zu einer Kreislaufwirtschaft mit nachhaltigen Ressourcen, weniger Abfall und intelligenten Reparatur- und Recyclingstrategien kommt ablösbaren Klebstoffen eine Schlüsselrolle zu. Einen Ansatz für Klebstoffe, die sich „auf Kommando“ deaktivieren lassen, stellt ein Forschungsteam jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie vor.

Inspirationsquelle waren die Meister des Unterwasserklebens: Muscheln. Schon früher wurden Muschel-inspirierte Klebstoffe entwickelt. Diese basieren auf der sogenannten Thiol-Chinon-Polyaddition, bei der Polymere mit adhäsiven Thiol-Catechol-Verknüpfungen entstehen (thiol-catechol connectivities, TCC, Thiol-substituierte aromatische Sechsringe mit zwei benachbarten OH-Gruppen, die für die starken Haftungseigenschaften verantwortlich sind). Der Clou: Werden die Catechol-Gruppen der Klebstoffpolymere zu Chinonen (Sechsringe mit zwei über Doppelbindungen verknüpften Sauerstoffatomen) oxidiert, nimmt die Klebkraft dramatisch ab.

Über das Grundgerüst der Monomere lassen sich die Eigenschaften solcher Polymere einstellen. Kannan Balasubramanian, Hans Börner und ihr Team von der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS, Berlin), der Universidad Nacional de General San Martín (Buenos Aires), dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (Potsdam-Golm) sowie der Firma Henkel (Düsseldorf) haben zwei verschiedene Typen von TCC-Klebstoffen mit hoher Klebkraft und Scherfestigkeit hergestellt.

Dabei wurden biobasierte, peptidische Biscatechol-Ausgangsstoffe des DiDOPAs, das ähnlich in den Muscheln vorkommt, mit ihrem Analogon auf fossiler Basis verglichen. Beide Klebstoffe funktionieren auch unter Wasser und sind unempfindlich gegenüber Luftsauerstoff sowie schwachen Oxidationsmitteln. Durch Oxidation mit dem stark oxidierenden Natriumperiodat (NaIO₄) verlieren sie jedoch ihre Klebrigkeit, sodass sich die Klebstoffreste leicht in einem Stück vom Substrat abziehen oder abwischen lassen.

Während die Oxidation des fossilen Klebstoffes die Catechole inaktiviert, den Klebstoff aber gleichzeitig wasserabweisender macht, zeigt der biobasierte Typ aufgrund vielfältiger anderer Peptidfunktionalitäten die Abschaltung, ohne signifikant hydrophober zu werden. Börner erklärt: „Die Multifunktionalität ist typisch für Biomaterialien, in denen oft nur die Schlüsselfunktionalitäten abgeschaltet werden und sich sonst nicht viel im Material ändert. Dieser Umstand ermöglicht einen dramatisch effizienteren Entklebungsmechanismus, der beim biobasierten Typ die Klebkraft um 99% reduziert“. Die Ursache für die schlechtere Abschaltung (60%) des fossilen Klebstoffes liegt in der Kompensation, da hydrophobe Polymere wie z.B. in Uhu auch sehr gute Klebstoffe darstellen.

Längerfristig arbeitet das Konsortium daran, die chemische Oxidation durch eine direkte elektrochemische Oxidation zu ersetzen, was beispielsweise für die Reparatur von Mobiltelefonen interessant sein könnte.

Originalveröffentlichung

Tilmann J. Neubert, Keven Walter, Carolin Schröter, Victoria Guglielmotti, Karsten Hinrichs, Stefan Reinicke, Andreas Taden, Kannan Balasubramanian, Hans G. Börner; "Redox‐Triggered Debonding of Mussel‐Inspired Pressure Sensitive Adhesives: Improving Efficiency Through Functional Design"; Angewandte Chemie International Edition, 2024-9-17

https://www.chemie.de/news/1184484/auf-kommando-abloesbare-klebstoffe.html