11. – 13. Schuljahr

Timm Wilke, Björn Bartram, Christin Kostrewa und Reza Saadat

Kleine Additive mit großer Wirkung

Maßgeschneiderte Synthese von Kunststoffkompositen durch Nanotechnologie

Der Einsatz von Kunststoffen wird von weiten Teilen der Gesellschaft zunehmend kritischer betrachtet. Ungeachtet dessen verbleibt der jährliche Verbrauch mit 37 Kilogramm pro Kopf in Deutschland nach wie vor sehr hoch [1]. Aus materialwissenschaftlicher Perspektive handelt es sich bei dem tagtäglich verwendeten Gegenständen allerdings um Funktionsmaterialien mit wertvollen Eigenschaften, die nicht grundlos so vielfältige Anwendungsgebiete gefunden haben. Hierzu beigetragen hat die Möglichkeit, die Materialeigenschaften durch Auswahl und Vernetzung verschiedener Monomere beeinflussen zu können. Transparent oder trüb, biegsam oder starr, biologisch abbaubar oder stabil für nahezu jede gewünschte Anforderung können etwa maßgeschneiderte Duro- oder Thermoplaste, Elastomere oder auch Mischformen hergestellt werden [2].
Neben der Auswahl der Monomere bietet auch die geschickte Wahl der Reaktionsparameter, wie etwa Temperatur, Reaktionsdauer oder die Eduktkonzentration die Möglichkeit, die Produkteigenschaften innerhalb gewisser Grenzen zu modulieren. Hierdurch lassen sich etwa Vernetzungsgrad, Härte sowie physikalische und chemische Stabilität ändern. An moderne Funktionsmaterialien werden jedoch in vielen Fällen weitaus höhere Ansprüche gestellt, die durch Variation dieser Reaktionsparameter allein nur bedingt zu erreichen sind. Zu diesem Zweck werden oftmals Additive zugesetzt, d.h. Stoffe, die während der Synthese beigemischt werden, um die bestehenden Eigenschaften der Polymere zu verstärken oder auch neue zu ergänzen. Farbpigmente (Ruß, Titandioxid) und Weichmacher sind bekannte Beispiele, Stabilisatoren gegenüber Einwirkung von UV-Licht (Benzophenone) und Wärme (Ca/Zn) sind industriell ebenfalls gängig. Darüber hinaus verleihen beispielsweise Zusätze auf Silberbasis Polymeren antimikrobielle Eigenschaften [3]. Eine Übersicht mit vielen weiterführenden Informationen und Beispielen findet sich unter [4]. Die gleichmäßige Einbettung dieser Additive in das Polymer (auch als umgebende Matrix bezeichnet) stellt in vielen Fällen eine technische He-rausforderung für die Produktion dar. In der Regel gelingt die Verarbeitung leichter, je kleiner die verwendeten Partikel sind. Unter anderem aus diesem Grund werden Additive daher oftmals in nanopartikulärer Form eingesetzt. Im Vergleich zu makroskopisch großen („Bulk-) Partikeln
  • kann durch das stark erhöhte Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von Nanomaterialien die zugesetzte Menge signifikant reduziert werden,
  • ermöglicht der geringe Partikeldurchmesser eine homogenere Verteilung des Additivs im Polymer und
  • oftmals auch eine bessere Vernetzung mit dem Polymer.
Nicht zuletzt besitzen Nanomaterialien in einigen Fällen andere hochinteressante Eigenschaften, die mit Bulk-Materialien nicht erreicht werden können.
Stabilere Kunststoffe durch Böhmit-Nanoadditive
Ein bedeutendes Forschungsfeld an der Schnittstelle von Chemie und Materialwissenschaften ist der Faserverbundleichtbau. Für viele Industriezweige (Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt) sind leichtere Materialien mit hoher mechanischer Belastbarkeit von großem Interesse, da hierdurch Kosten eingespart und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden können.
Am Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig wird derzeit die Entwicklung entsprechender Materialien erforscht. Durch die Einlagerung von funktionalisierten Böhmit-Nanopartikeln (g-AlOOH) als Additiv in ein Polymersystem zeigt das entstehende Komposit eine wesentlich größere Härte im Vergleich zum reinen Polymer. Grund dafür ist die feine Verteilung des Böhmits im Material sowie die Härte dieses Additivs.
Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist die Interaktion zwischen Polymer und Additiv. Werden letztere nicht nur fein in der Matrix verteilt, sondern über...

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