Der Kunststofftrick mit dem Druckkochtopf

11. Mai 2014, 17:15
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Forscher der TU Wien arbeiten an einer neuen, weniger aufwändigen und umweltbelastenden Methode zur Herstellung von Hochleistungspolymeren

Wien - Was haben die DNA eines Lebewesens und die Beschichtung von Leiterplatten in Computern gemeinsam? Richtig: Beides sind Polymere, chemische Verbindungen aus langkettigen, regelmäßig aufgebauten organischen Molekülen, die jeweils aus tausenden Atomen bestehen.

Während natürliche Biopolymere als Grundbausteine von Lebewesen dienen, werden ihre synthetischen Pendants - Kunststoffe - in aufwändigen Produktionsverfahren aus Erdöl gewonnen. Gerade hinter widerstandsfähigen Hochleistungskunststoffen, wie sie in Autos, in der Luftfahrt oder als hitzebeständige Isolierschicht in Computerteilen eingesetzt werden, stehen langwierige, energieintensive Produktionsprozesse, die den Einsatz hochgiftiger Chemikalien erfordern.

Zu diesen Produktionsprozessen will Miriam Unterlass eine Alternative bieten. Die Wissenschafterin vom Institut für Materialchemie der TU Wien entwickelt mit ihrem Team ein Verfahren, das eine umweltfreundlichere und schnellere Herstellung von Hochleistungskunststoffen ermöglicht. Ohne hochsiedende Lösungsmittel und ohne Katalysatorstoffe: "Neben den Ausgangsstoffen benötigen wir wirklich nur Wasser", sagt Unterlass.

Prinzip der Wasseradern

Die Forscher greifen dabei auf eine Methode zurück, deren sich auch die Natur bedient, etwa um Minerale zu bilden. In Wasseradern im Erdmantel bilden sich beispielsweise aus Aluminiumverbindungen unter hohem Druck und hohen Temperaturen Korund und Saphir-Kristalle. Diese sogenannte hydrothermale Synthese sei auch geeignet, um Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften zu schaffen, erklärt Unterlass.

Die entsprechenden Bedingungen erzeugen die Forscher in einem Laborreaktor. Zuerst werden die Monomere, Erdölprodukte, die als organische Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Kunststoffen verwendet werden, in eine kristallartige Ordnung gebracht. "Wir bauen uns einen Kristall aus verschiedenen Monomeren. Die vororganisierte Struktur kommt dann in den Druckkochtopf", sagt Unterlass.

Bei 200 Grad Celsius und einem Druck von 17 Bar - also so viel, wie etwa in 170 Metern Meerestiefe herrscht - bilden sich aus den kleinen, reaktionsfreudigen Monomer-Molekülen große, hochkristalline Polymerstrukturen. Das Schwierigste sei laut Unterlass dabei das Finden des optimalen Temperatur- und Druckbereichs. "Wir nähern uns in mehreren Durchgängen an. Fünf Versuche reichen meist, bis es funktioniert."

Um zu messen, was im Reaktor vor sich geht, wurde eine spezielle Infrarotsonde installiert - laut der Forscherin ist weltweit nur ein weiteres Gerät dieser Art im Einsatz. Durch das Beobachten der Strahlung, die von den Molekülen im Reaktor absorbiert wird, kann auf einzelne Zwischenphasen in dem Prozess geschlossen werden.

Reaktion unter Druck

"Weil es so ein unglaublich einfacher Prozess ist, könnte man sich fragen, warum das niemand vorher gemacht hat", sagt Unterlass. "Die Antwort darauf ist, dass man schon früh entdeckt hat, dass es eigentlich nicht möglich ist, derartige Kondensationspolymere in Wasser herzustellen. Nicht in H2O unter normalen Bedingungen", erklärt die Wissenschafterin. "Die Eigenschaften des Wassers verändern sich aber bei hohem Druck und hoher Temperatur. Dampf und flüssiges Wasser koexistieren dann. Die Moleküle bewegen sich viel schneller." Durch diesen "Trick" dauern die Reaktionen hin zu den langkettigen Molekülen in kristalliner Ordnung nur etwa eine Stunde.

Die Kristallinität ist bei Hochleistungskunststoffen ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. "Man möchte, dass die Polymermoleküle in hoher Ordnung vorliegen, weil das bessere mechanische Eigenschaften und höhere Schmelzpunkte ergibt", sagt Unterlass. Und: "Die Kristallinität kriegen wir besser hin als die klassischen Methoden." In einem nächsten Schritt wollen die Forscher auch versuchen, die Morphologie des Materials zu beeinflussen. "Wir würden gerne so weit kommen, dass wir Fasern oder Partikel herausbekommen."

Werden die Kunststoffproduzenten also bald auf diese umweltfreundlichere und effektivere Methode umsteigen? Unterlass: "Die Frage, ob die Methode im industriellen Maßstab wirtschaftlich rentabel sein kann, kann ich nicht beantworten. Wir sind aber bereit, in eine Pilotphase zu gehen." (Alois Pumhösel, DER STANDARD, 7.5.2014)

  • Die hochkristallinen "Mikroblumen", in die sich die Polymer-Moleküle fügen, sorgen für deren besondere mechanische Stabilität.
    foto: tu wien

    Die hochkristallinen "Mikroblumen", in die sich die Polymer-Moleküle fügen, sorgen für deren besondere mechanische Stabilität.

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