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Forscher erhalten Innovationspreis Polymerreaktionen mit energiereichen Elektronen starten

Redakteur: Doris Popp

Elektronen machen den Anfang – Polymerreaktionen mit energiereichen Elektronen starten. Was hinter dieser Idee steckt, erläutert Dr. Uwe Gohs vom Leibniz-Institut Dresden. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus.

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„Mit unserem Verfahren können auch Biopolymere ohne jeglichen Einsatz chemischer Additive modifiziert werden.“ Dr. Uwe Gohs, Leiter Verbundwerkstoffe, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
„Mit unserem Verfahren können auch Biopolymere ohne jeglichen Einsatz chemischer Additive modifiziert werden.“ Dr. Uwe Gohs, Leiter Verbundwerkstoffe, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
(Bild: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden)

LP: Herr Dr. Gohs, Polymere sind die Basis für die Entwicklung von Hochleistungs-Kunststoffen mit spezifischen Eigenschaften. Welche Verfahren werden zur Herstellung der Polymere eingesetzt?

Dr. Uwe Gohs: Polymere entstehen mittels so genannter Polyreaktionen, bei denen Monomere zu Polymeren reagieren. Dabei unterscheidet man drei verschiedene Reaktionstypen: Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition. Der technische Fortschritt ist mit dem zunehmenden Einsatz von Hochleistungs-Polymerwerkstoffen mit spezifischen Eigenschaften bei gleichzeitig komplexem Eigenschaftsprofil verbunden. Dabei ist immer häufiger nicht mehr die Synthese neuer Polymere die wirtschaftlichere Lösung, sondern die Modifizierung von Polymeren aus einem „Grundbaukasten“, der verschiedene Polymere sowie Füll- und/oder Verstärkungsstoffe umfasst, die auf dem Markt preiswert verfügbar und technologisch erprobt sind.

LP: Sie und Ihre Kollegen erhalten den diesjährigen Innovationspreis des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden. Welche Arbeiten werden hiermit gewürdigt?

Gohs: Bei der Entwicklung mehrphasiger funktioneller Polymercompounds wird die reaktive Compoundierung eines Polymeren oder Polymerblends in Gegenwart von Füll- und Verstärkungsstoffen mittels industrieller Aufbereitungsmaschinen genutzt. Das Potenzial dieser reaktiven Compoundierung wird jedoch noch nicht ausgeschöpft, da insbesondere im vorwettbewerblichen Bereich der anwendungsnahen Grundlagenforschung vorwiegend auf spezielle Werkstoffeigenschaften fokussiert wird, während Untersuchungen zur Wechselwirkung der Komponenten Rohstoff, Maschine und Prozess deutlich unterrepräsentiert sind. Eine Folge ist zum Beispiel der ausstehende wirtschaftliche Durchbruch der stark beforschten polymeren Nanokompositwerkstoffe. Unsere preisgekrönte Entwicklung aus dem IPF betrachtet die Komponenten Rohstoff, Maschine und Prozess in ihrer Wechselwirkung und bietet potenziellen Anwendern ein Scale-up-fähiges Konzept für Prozesse der reaktiven Aufbereitung von Polymeren. Grundlage dafür und die entscheidende neue Idee ist der Einsatz energiereicher Elektronen zur Initiierung der die reaktive Aufbereitung in Gang setzenden chemischen Reaktionen.

LP: Welche Vorteile bieten energiereiche gegenüber herkömmlichen thermischen Initiatoren?

Gohs: Die reaktive Aufbereitung als Kombination von Mischprozess und im Mischgut ablaufender chemischer Reaktion erfordert eine exakte Steuerung der thermisch induzierten chemischen Reaktion unter den Bedingungen des Schmelzeaufbereitungsprozesses, d.h. bei hohen Viskositäten, hohen Temperaturen und kurzen Verweilzeiten. Somit setzt die Auslegung eines reaktiven Aufbereitungsprozesses grundlegende chemische und rheologische Kenntnisse sowie Erfahrungen in der Simulation des Schmelzflusses und der Prozesskontrolle voraus. Die zeitliche und räumliche Kopplung von Mischprozess und im Mischgut ablaufender chemischer Reaktion erschwert trotz o.g. Erfahrungen die detaillierte Prozessanalyse und exakte Prozess-Steuerung, da die Teilprozesse gekoppelt sind, sich Temperaturfelder nicht gezielt einstellen lassen und die chemische Reaktion durch Scher- und Dehnkräfte beeinflusst wird. Im Gegensatz zu chemischen Initiatoren ermöglicht der Einsatz energiereicher Elektronen eine zeitlich und räumlich präzise additivfreie Initiierung der chemischen Reaktion unabhängig von der Aufbereitungstemperatur. Dies führte zu einer Entkopplung der Radikalgenerierung vom physikalischen Mischprozess und dem Wärmetransport sowie zur Trennung von Reaktions- und Mischvolumen, sodass der Einfluss von Scher- und Dehnkräften auf die chemische Reaktion reduziert sowie die Prozessanalyse und die Steuerbarkeit der chemischen Reaktion in der hochviskosen Schmelze verbessert wurden. Dadurch konnten systematisch einzelne Teilprozesse untersucht, prozesstechnische Zusammenhänge abgeleitet sowie verfahrenstechnische Grundlagen und ein Anlagenkonzept entwickelt werden.

LP: Wo sehen Sie die ersten Anwendungsfelder Ihrer Forschung?

Gohs: Auf der Basis der abgeleiteten verfahrenstechnischen Grundlagen wurde unsere dreistufige Technikumsanlage zur Entwicklung mehrphasiger Hochleistungs-Polymerwerkstoffe im Rahmen von Industrie- und Forschungsprojekten genutzt. Potenzielle Anwendungsfelder sind flammgehemmte Polymere, Kurzfaser-verstärkte Polymere und zähmodifiziertes Polypropylen. Bei der Entwicklung des zähmodifizierten Polypropylens haben wir darauf geachtet, dass neben der Verarbeitung mittels Extrusion und Spritzguss auch das Schmelzspinnen zum Einsatz kommen kann, um die Herstellung von Hybridgarn für die Fertigung von Endlosfaser-verstärktem Polypropylen mit erhöhtem mechanischen Eigenschaftsniveau zu ermöglichen. Weitere Anwendungsfelder sind Life-Science und Biotechnologie, da mit unserem Verfahren Biopolymere ohne jeglichen Einsatz chemischer Additive modifiziert werden können.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Dr. Gohs.

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