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Materialforschung Nanotechnologie hilft bei Entwicklung superelastischer Werkstoffe

Autor / Redakteur: Roland Weidisch* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Kunststoffe werden immer mehr auf ihre speziellen Einsatzgebiete hin entwickelt. Mithilfe von Nanotechnologie werden die chemischen und physikalischen Eigenschaften optimiert. Am Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie der Universität Jena werden elastomere Werkstoffe aus Kunststoff entwickelt, die ein deutlich verbessertes elastisches Verhalten zeigen.

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Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangstemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt. Diese Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück. Ihre Einsatzgebiete sind extrem vielfältig. Sie sind Hauptbestandteile für die Autoreifenherstellung und werden in der Verpackungsindustrie aber auch in der Medizintechnik eingesetzt.

Die Elastomere auf der Basis von Multipfropfcopolymeren, entwickelt in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Roland Weidisch, Professur für Mechanik der funktionellen Materialien am IMT der FSU Jena sowie Kooperationspartnern aus Griechenland und den USA, können auf bis zu 2000 Prozent der Ausgangslänge gedehnt werden und sind somit kommerziell erhältlichen Materialen, die bis etwa 1000 Prozent gedehnt werden können, überlegen. Gleichzeitig besitzen sie eine gegenüber etablierten Materialien drei- bis viermal höhere Elastizität; selbst bei sehr hohen Dehnungen bis 1000 Prozent tritt eine fast vollständige Rückverformung ein.

Es ist vorstellbar, dieses Materialkonzept, welches auf variablen molekularen Architekturen beruht, auf andere Elastomere zu übertragen. Daraus ergibt sich eine ganze Reihe von Anwendungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, wie beispielsweise Polystyrol (PS) oder Polyvinylchlorid (PVC), sind superelastische Kunststoffe aus einer elastischen Grundkette mit zusätzlichen komplexen Verzweigungen, wie etwa PS, aufgebaut. Damit lassen sich die eigentlich gegensätzlichen Eigenschaften „hohe Festigkeit“ und „hohe Elastizität“ kombinieren.

Potenzielle Anwendungsfelder der elastomeren Werkstoffe

Ergebnisorientiert steht bei der wissenschaftlichen Erforschung solcher neuartiger Kunststoffe die chemische und physikalische Struktur im Vordergrund. Anwendungsspezifisch werden die mechanischen Eigenschaften analysiert, um darauf aufbauend potenzielle Einsatzgebiete solcher Materialien weiter ausfindig machen zu können. Die Materialien sind zudem physiologisch verträglich und im Gegensatz zu vielen anderen elastomeren Kunststoffen transparent, sodass sich besonders ein Einsatz in der Medizintechnik, z.B. für elastische Membranen, Nahtmaterialien oder künstliche Sehnen und Muskeln, anbietet. Selbst in der Musikbranche könnten die neuen Materialien als super-elastische Membranen in Lautsprechern und Kopfhörern Verwendung finden. Da-rüber hinaus sind auch intelligente Verpackungsmaterialien ein mögliches Einsatzgebiet.

Konzepte zur preiswerten Synthese der superelastischen Multipfropfcopolymere liegen vor und lassen hoffen, dass sich in naher Zukunft größere Mengen dieser neuen Werkstoffklasse herstellen lassen.

Neues Jenaer Symposium über Funktionelle Polymer-basierte Materialien

Am 3. und 4. April 2007 kamen in Jena Experten aus der Grundlagen- und angewandten Forschung zum „Symposium on Functional Polymer Based Materials“ zusammen, um neben den superelastischen Kunststoffen hauptsächlich neue Erkenntnisse und Entwicklungen auf den Gebieten der Polymerchemie, -physik und -mechanik als auch auf dem Gebiet der Nanokomposite sowie funktionelle Anwendungen zu diskutieren. In dem Symposium, organisiert durch die Arbeitsgruppe von Prof. Weidisch und dem Polymet Jena e.V., ging es um verschiedene Materialien, die aus Polymeren und Kompositen bestehen und neue funktionelle Anwendungen erlauben. Schwerpunkte der Anwendungen liegen auf den Gebieten der Nanotechnologie, Optik, Medizin und Biotechnologie sowie in der Automobilindustrie.

Neue Synthesetechniken, die die Herstellung von Polymeren verschiedenster Architektur erlauben und somit eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Endproduktes bewirken, wurden vorgestellt. Solche Materialien können auch für biotechnologische Anwendungen beispielsweise als Trägermedium für DNA genutzt werden (Plenarvortrag von Prof. Nikos Hadjichristidis, Athen). Hochelastische Materialien, die auf komplizierten polymeren Architekturen basieren, könnten in Zukunft als Membranen oder künstliche Muskeln eingesetzt werden.

Ebenso können nanometergroße Partikel (Silikate, Kohlenstoffnanoröhren, metallische Nanopartikel) in Polymere eingearbeitet werden, um eine Verbesserung der mechanischen, aber auch der elektrischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringer Masse der Bauteile zu erzielen. Neue Techniken zur Einarbeitung von Nanoteilchen in Polymere und Funktionalisierungsmöglichkeiten wurden in Jena aufgezeigt, um Eigenschaften wie die Steifigkeit, die Zugfestigkeit, Verschleiß und Abriebfestigkeit, Feuerfestigkeit sowie die elektrische Leitfähigkeit von Polymeren zu optimieren. Ausgangspunkt für eine Eigenschaftsoptimierung bilden detaillierte morphologische Untersuchungen, um gezielt Struktureigenschaften aufzustellen und zu verstehen.

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Darauf bezogen wurden neue Aspekte basierend auf rheologischen, röntgenographischen und spektroskopischen Untersuchungen diskutiert. Neben den Volumeneigenschaften sind die Modifizierung polymerer Oberflächen und deren Funktionalisierung von entscheidender Bedeutung, um Natureffekte wie zum Beispiel den Lotuseffekt zu nutzen. Materialien für intelligente Oberflächen, Aktuatoren und optische Schichten mit antireflexiven Eigenschaften sowie Biomaterialien für medizinische Anwendungen wurden vorgestellt. Speziell Biopolymere eignen sich als Beschichtungen für Implantate oder Stents (Gefäßprothesen), die biokompatibel sind und somit die Ansiedlung körpereigener Zellen erlauben.

Mit Vorträgen und Postern vertretene Einrichtungen waren die Universitäten von Athen, Tennessee, Massachusetts, Nottingham, Bangkok, Wien, Potsdam, Dresden, Hamburg, TU Hamburg-Harburg, Halle, Jena, Zürich sowie Institute wie das IIT Dehli, Institut of Technology Kyoto, IPF Dresden, DKI Darmstadt, DIK Hannover, GKKS Geesthacht, CAU Kiel, Innovent e.V., Fraunhofer IOF Jena und Polymet Jena e.V.. Die zahlreichen Präsentationen trugen zum Gelingen des Symposiums bei, sodass am Ende die drei besten Poster mit einem von dem wissenschaftlichen Journal Macromolecular Rapid Communications gesponserten Preis ausgezeichnet wurden. Das Symposium wurde von der Stiftung für Technologie, Innovation und Forschung Thüringen (STIFT) finanziell unterstützt.

Die verschiedenen funktionellen An-wendungen und mit sich bringenden Probleme zeigen, dass die interdisziplinäre Zusammenarbeit weiterhin ausgebaut werden muss, um die Entwicklung funktioneller Materialien voranzutreiben.

* Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie, 07743 Jena

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