Kunststoffe mit Selbstheilungskräften

7. August 2016, 20:41
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Forscher des Leobener Polymer-Zentrums PCCL arbeiten an Kunststoffen mit speziellen Fähigkeiten – sie können sich selbst reparieren oder in Einzelteile zerlegen

Wien – Bei Smartphones und Autos ist die Technologie bereits bis zum Endverbraucher vorgedrungen: Spezielle Telefonhüllen und Fahrzeuglacke verfügen über die Fähigkeit, sich selbst zu heilen – also kleine Risse und Kratzer selbsttätig wieder zu verschließen. Die Anwendungen sind die ersten Vorboten einer neuen Generation an intelligenten Kunststoffen, die aufgrund einer Umwelteinwirkung gezielt ihre Struktur oder ihre Eigenschaften ändern können.

Auch die Polymer-Chemikerin Sandra Schlögl arbeitet an derartigen Werkstoffen. Sie forscht am Leobener Polymer-Zentrum PCCL, das durch das Kompetenzentrumprogramm Comet von Wissenschafts- und Verkehrsministerium gefördert wird, an neuen Varianten der Kunststofftechnologie, die später in konkrete Produkte überführt werden können. Das PCCL mit seinen etwa 100 Mitarbeitern erhielt vor kurzem den Zuschlag für eine Verlängerung als K1-Zentrum. 23 Millionen Euro stehen dafür in den kommenden vier Jahren zur Verfügung.

Heilende Handyhüllen

"Die Selbstheilung ist noch in den Kinderschuhen", sagt Schlögl, "Beschichtungen funktionieren bis zu einer Stärke von etwa drei Millimetern sehr gut. Bei makroskopischen Rissen von massiven Bauteilen ist eine Heilung aber viel schwieriger zu erreichen." Bei den Handyhüllen, die am Markt sind, wird die Selbstheilung durch eine physikalische Reaktion bei Raumtemperatur ausgelöst. Die Funktion bleibt bis zu zwei Jahre intakt.

Schlögl und Kollegen arbeiten dagegen auch daran, Licht in bestimmten Wellenlängen als jenen "Schalter" zu verwenden, der eine gezielte chemische Reaktion im Polymer startet. Dabei geht es nicht nur um Heilung, sondern auch um eine erwünschte Zerlegung des Werkstoffs, etwa um eine Wiederverwendung von Materialien zu ermöglichen.

Polymere sind chemische Verbindungen aus langkettigen, mehr oder weniger regelmäßig aufgebauten organischen Molekülen. Biopolymere zählen zu den Grundstoffen der belebten Natur. Die synthetisch im Rahmen der Petrochemie hergestellten Pendants sind als Kunststoffe bekannt. Mithilfe von Zusatzstoffen, Additiven, versucht man bei der Herstellung die Eigenschaften des Kunststoffs zu beeinflussen.

Lichtempfindliches Material

Ziel der Forschungen am PCCL in dem Bereich ist, die Polymerstruktur jederzeit durch Reize von außen verändern zu können. "Wir vernetzen große Polymerketten mithilfe eines bestimmten Additivs – einer chemische Verbindung aus der Gruppe der Anthracene – miteinander", sagt Schlögl. Durch UV-Licht mit bestimmten Wellenlängen können diese "Sollbruchstellen" dann geöffnet und wieder geschlossen werden.

Das Polymer absorbiert das Licht und wird elektronisch angeregt, erläutert die Forscherin. An den Verbindungsstellen hat das eine sogenannte reversible Dimisierungsreaktion zur Folge: Die Moleküle organisieren sich neu, was entweder einen Bindungsbruch oder eine neuerliche Etablierung der chemischen Bindung zur Folge hat. Das System des PCCL zeigt überdies an, wo eine Lichtbehandlung nötig ist: Die gebrochenen Bindungen werden unter fluoreszierendem Licht sichtbar.

Dichtung ohne Risse

Neben den selbstheilenden Beschichtungen beschäftigen sich Schlögl und ihre Kollegen mit elastischen Materialien mit ähnlichen Eigenschaften. Dichtungen und Schläuche könnten sich durch Wärmeeinwirkung künftig selbst regenerieren und so eine längere Lebensdauer erreichen.

Das kontrollierte Auflösen der Polymere soll zukünftig hingegen auch die exakte Trennung von Mehrkomponentensystemen ermöglichen, die etwa Carbon, Metalle oder Glasfasern enthalten. Gerade Systeme, die eine sehr hohe Stabilität aufweisen, sind kaum wieder einschmelzbar.

"Diese hochvernetzten Systeme können durch die speziellen Bindungen wieder getrennt werden, um sie danach erneut verwerten zu können", erklärt Schlögl. Eine Anwendung, auf die die Wissenschafter am PCCL abzielen, ist im Bereich der Mikroelektronik: "Möglich wären Klebeschichten, die Computerbauteile zusammenhalten und gezielt durch Lichteinfluss wieder aufgelöst werden können", sagt Schlögl. (Alois Pumhösel, 7.8.2016)

  • Bei Autolacken kommen selbstheilende Polymere bereits zum Einsatz. Sie sorgen dafür, dass sich kleine Kratzer selbsttätig schließen. Doch die Technologie kann mehr, als Gebrauchsspuren  zu verschleiern. Sie kann etwa  die Lebensdauer von Maschinen erhöhen oder  für effizienteres Recycling sorgen.
    foto: picturedesk.com / action press / eberl

    Bei Autolacken kommen selbstheilende Polymere bereits zum Einsatz. Sie sorgen dafür, dass sich kleine Kratzer selbsttätig schließen. Doch die Technologie kann mehr, als Gebrauchsspuren zu verschleiern. Sie kann etwa die Lebensdauer von Maschinen erhöhen oder für effizienteres Recycling sorgen.

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