Chemiker entwickeln selbstheilende Polymere

Mithilfe von „klebrigen“ Bindungsstellen innerhalb einer Polymerkette können einzelne Moleküle ähnlich wie mit einem Baukastenprinzip in verschiedenen Kombinationen verknüpft werden. Somit ist mit der integrierten Selbstheilung eine Anpassung an den jeweilig gewünschten Anwendungsbereich möglich.

Gebogene Struktur

Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Wolfgang Binder vom Institut für Chemie der MLU haben Polymere hergestellt, die über eine „gebogene“ Struktur verfügen, ähnlich einem H oder V. Sie erlauben die mehrfache Selbstheilung desselben Materials bei 30 °C, wobei die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften innerhalb von wenigen Stunden vollständig wiederhergestellt werden können, wie entsprechende Zugversuche von Probenkörpern zeigen. Das gewählte Design orientiert sich dabei an der Herstellung von sogenannten thermoplastischen Elastomeren, in die das Prinzip der Selbstheilung eingebaut wird. „Diese Kunststoffe zeigen unter Einwirkung von Wärme thermoplastisches Verhalten, lassen sich also plastisch verformen. Bei Raumtemperatur dagegen sind die Stoffe eher vergleichbar mit formstabilen Polymeren und weisen normalerweise keine Selbstheilung auf“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Binder.

Einfügen eines dynamischen Bindungselements

Diese Eigenschaft wurde durch das Einfügen eines dem „Schlüssel-Schloss“-Prinzip ähnlichen, dynamischen Bindungselements, in Kombination mit dem Konzept der Phasenseparation von Blockcopolymeren, erreicht. Die Herstellung von Materialien mit einer solchen komplexen supramolekularen Architektur ermöglicht es, dynamische Eigenschaften in das finale Polymer zu integrieren und gleichzeitig für ausreichend Festigkeit und Formbeständigkeit zu sorgen. Dadurch lässt sich das Material für konkrete Produkte verwenden.

Vielfältige Polymere generieren

Durch Kombination dieser Charakteristika und die Auswahl der entsprechenden Polymerblöcke können vielfältige Polymere für verschiedene Anwendungsbereiche generiert werden, die zusätzlich mehrfache Selbstheilung an derselben Position ermöglichen. „Somit lässt sich die Realisierung des Menschheitstraums vom unfehlbaren Material maßgeblich vorantreiben“, resümiert Binder.

Zusätzlich gewährleisten die verlängerten Gebrauchszyklen der polymeren Materialien durch die Integration von speziell designten Heilungsmechanismen eine erhöhte Sicherheit für den Endverbraucher: Mikrorisse können schon direkt bei der Belastung behoben werden, bevor es zur Ausbildung von Makrorissen und damit zu einem Defekt kommt. 

Verlängerung der Lebensdauer von Materialien

Das Themengebiet der selbstheilenden Polymere beschäftigt sich maßgeblich mit der Verlängerung der Lebensdauer von Materialien, um den langjährigen Traum der Menschheit nach einem unfehlbaren Material zu verwirklichen. Da Kunststoffe hauptsächlich aus Erdöl-basierten Raffinerieprodukten hergestellt werden, ermöglicht der Einbau von Selbstheilungskonzepten in Polymere eine Verbesserung der CO₂-Bilanz und liefert somit außerdem einen entscheidenden Beitrag zur Schonung der natürlich vorkommenden Ressourcen und zur Verbesserung der Nachhaltigkeit.

Originalveröffentlichung: Angew. Chem. Int. Ed. (2015), 54: 10188-10192.