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Hochleistungsfasern Stabiler als ein Spinnenfaden

| Redakteur: Christian Lüttmann

Diese Faser schlägt Stahl und sogar Spinnenseide in puncto Reißfestigkeit: Mit einem neuen Verfahren hat ein internationales Forscherteam Polymerfaser hergestellt, die an der Grenze der maximal möglichen Belastbarkeit liegen. Das Geheimnis der Hochleistungsfasern liegt in der besonderen Spinntechnik.

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Elektrospinnen einer multifibrillaren Polyacrylnitrilfaser
Elektrospinnen einer multifibrillaren Polyacrylnitrilfaser
(Bild: Universität Bayreuth / Jürgen Rennecke)

Jülich – Schon oft hat man gehört, dass Spinnenfäden stärker sind als Stahlseile der gleichen Dicke. Doch nun haben Forscher nachgelegt und Hochleistungsfasern produziert, die selbst die starke Spinnenseide in den Schatten stellen. „Eine einzelne Faser ist so dünn wie ein menschliches Haar, wiegt weniger als eine Fruchtfliege und ist dennoch sehr stark: Sie kann ein Gewicht von 30 Gramm heben, ohne zu reißen“, sagt Prof. Dr. Andreas Greiner von der Universität Bayreuth. Damit hält die Faser das 150.000-fache ihres Eigengewichts aus.

Die hohe Zug- und Reißfestigkeit hat das Forscherteam durch einen konzertierten Spinn- und Verarbeitungsprozess erreicht, bei dem Mikrofaserbündel unter Dehnung im Zustand höchster Orientierung chemisch fixiert werden. Beteiligt waren Wissenschaftler der Universität Bayreuth, der Universität Halle, der RWTH Aachen, des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS), der chinesischen Jiangxi Normal University, der schweizerischen ETH Zürich und des Forschungszentrums Jülich.

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Geordnete Fasern für maximale Festigkeit

Prinzipiell sind Faser dann sowohl sehr zug- als auch reißfest, wenn die Primärfasern hochorientiert und parallel angeordnet zu einem Faserbündel gesponnen und im Zustand höchster Orientierung stabil vernetzt sind. Dabei führt der Orientierungsgrad zu einer hohen Zugfestigkeit, und die stabile Querverbindung zu hoher Reißfestigkeit.

Bei dem neuentwickelten Verfahren werden mittels Elektrospinnen sehr einheitlich orientierte, kristalline Faserbündel hergestellt, die in einem nachfolgenden konzertierten Verarbeitungsprozess bei erhöhter Temperatur zu höchster Orientierung gedehnt und im gedehnten Zustand kovalent verknüpft werden. Diesen Prozess haben die Wissenschaftler für ein Polyacrylnitril-Copolymer (PAN) demonstriert, welches einen kleinen Anteil von vernetzbaren Methylacrylat-Einheiten enthielt.

Robuster als Spinnenseide

Die fertigen PAN-Fasern weisen ein Zugmodul von 13,5 GPa auf, der den Forschern zufolge nahe am maximalen theoretischen Wert für dieses Material liegt. Die Zugfestigkeit (1240 MPa) übertrifft die bisheriger Hochleistungsfasermaterialien und liegt sogar über der von Spinnenseide (ca. 1100 MPa). Damit bietet das Herstellungsverfahren Anwendungsmöglichkeiten z.B. in der Windenergie, im Leichtbau in Bauindustrie, Automobil, in Luft- und Raumfahrt bis hin zu Sport- und Outdoor- und High-Tech-Textil-Anwendungen.

Originalpublikation: X. Liao, M. Dulle, J. M. de Souza e Silva, R. B. Wehrspohn, S. Agarwal, S. Förster, H. Hou, P. Smith, A. Greiner: High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials, Science 13 Dec 2019: Vol. 366, Issue 6471, pp. 1376-1379; DOI: 10.1126/science.aay9033

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