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Polyarylethersulfone – Eine moderne Werkstoffklasse

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Obwohl Polyarylethersulfone seit bereits mehr als 40 Jahren kommerziell verfügbar sind, gehören sie im Bereich der thermoplastischen Polymere zu den modernen Werkstoffen. Diesem Attribut werden sie in verschiedener Hinsicht gerecht, da neue Entwicklungen von Produkten aber auch Anwendungen an der Tagesordnung sind.

Was sind Polyarylethersulfone?

Unter Polyarylethersulfonen versteht man Polymere, bei denen aromatische Einheiten durch Sulfon- und Ethergruppen verbunden sind. Abbildung 1 zeigt die Wiederholungseinheiten der kommerziell verfügbaren Polyarylethersulfone, die in Polyethersulfone (PESU), Polyphenylensulfone (PPSU) und Polysulfone (PSU) unterteilt werden.

 

Abb. 1: Strukturformeln der kommerziell verfügbaren Polyarylethersulfone (Polyethersulfone (PESU), Polyphenylensulfone (PPSU) und Polysulfone (PSU))

Während die aromatischen Einheiten neben den Sulfon-Gruppen für die gute thermische und chemische Beständigkeit verantwortlich sind, verleihen die Ether-Einheiten den Polymerketten ausreichend Flexibilität für eine thermoplastische Verarbeitung. Die Polyarylethersulfone gehören zur Klasse der amorphen Hochtemperaturkunststoffe und weisen hohe Glasübergangstemperatur (von 185 bis 225°C), gute mechanische und chemische Beständigkeit sowie gute Flammwidrigkeit auf. Die thermoplastische Verarbeitung der Polyarylethersulfone durch Spritzguss oder Extrusion erfolgt üblicherweise bei Temperaturen oberhalb von 320°C. 
Durch Kondensation von Di-Chlorverbindungen, z.B. 4,4´-Di-Chlor-diphenylsulfon, mit entsprechenden Di-Hydroxyverbindungen, wie z.B. 4,4´-Di-Hydroxy-diphenylsulfon, unter Einwirkung von Base, werden die Polyacrylethersulfone vorwiegend in lösungsbasierten Verfahren hergestellt [1]. Durch Variation der Kondensationsdauer oder des stöchiometrischen Verhältnisses der Monomere kann die Kettenlänge der Polymere eingestellt werden. Eigenschaftsmodifikationen, wie z.B. die Erhöhung der Glastemperatur, sind durch Einbau spezieller Monomere möglich.
 

Eigenschaften und Anwendungen

Aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften finden Polyarylethersulfone Verwendung als Werkstoffe in unterschiedlichsten Anwendungen. Die hohe Glastemperatur verbunden mit der guten Oberflächenqualität, die sich beim Spritzguss von Polyethersulfon realisieren lässt, ermöglicht den Einsatz von Polyethersulfon als Material für Scheinwerfergehäuse im Automobilbau (vgl. Abb. 2). Gegenüber den etablierten Werkstoffen (Harzformulierungen) lassen sich signifikante Vorteile bezüglich Gewicht des Bauteils und Prozesskosten, und damit eine Erhöhung der Ressourceneffizienz erzielen. 

Dank ihrer Beständigkeit gegenüber Fetten und Ölen dienen die Polyarylethersulfone auch als Werkstoffe für mikrowellentaugliches Geschirr. Bei Anwendungen im Großküchen- und Cateringsektor (Abb. 3) sind daneben auch die Transparenz der Polyarylethersulfone und ihre Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln von Vorteil.
 

Abb. 2: Scheinwerfergehäuse aus Polyethersulfon © BASF

Abb.3: Catering-Behälter aus Polyarylethersulfon. © BASF

Polyarylethersulfone weisen ebenfalls eine exzellente Hydrolysebeständigkeit bei erhöhter Temperatur auf. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz als Pumpenlaufräder oder Material für Fittings im Heizungs- und Sanitärbereich.

Neben Anwendungen als thermoplastisch verarbeitbare Werkstoffe kommt der Nutzung von Polyarylethersulfonen im Bereich der Membrantechnologie mittlerweile eine große Bedeutung zu [2]. Die Herstellung von Membranen erfolgt in der Regel durch eine kontrollierte Fällung einer Polyarylethersulfonlösung, wobei entweder sogenannte Flachmembranen oder Hohlfasermembranen hergestellt werden. Bei der Fällung entsteht eine asymmetrische Porenstruktur mit einer Filtrationsschicht, deren Porengröße durch die Fällungsbedingungen eingestellt werden kann. 

So wird vor allem Polysulfon zur Ausbildung einer mikroporösen Schicht in Komposit-Membranen zur Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose verwendet. Die mikroporöse Polysulfonschicht dient dabei als Träger für die aktive Trennschicht dieser Membranen, die aus einem vernetzten Polyaramid besteht.

Weiterhin werden Polyarylethersulfone zur Herstellung von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen verwendet. Ultrafiltrationsmembranen aus Polysulfon und Polyethersulfon finden insbesondere Einsatz für die Dialysebehandlung. Dazu werden Lösungen aus Polyarylethersulfonen und hydrophilen Additiven kontrolliert zu Hohlfasermembranen (Abb. 4) versponnen, die eine asymmetrische Porenstruktur mit einer nanoporösen Filtrationsschicht aufweisen und damit ähnliche Filtrationseigenschaften wie die menschliche Niere zeigen. Aufgrund der Hydrolyse- und Temperaturbeständigkeit der Polyarylethersulfone können diese Membranen vor dem Einsatz mit Heißdampf sterilisiert werden. Weiterhin weisen Membranen aus Polyarylethersulfonen gute Bioverträglichkeit auf, was die Dialysebehandlung erleichtert.

Abb.4: Hohlfaser Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfon © BASF

In der Wasseraufbereitung werden ebenfalls Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfon eingesetzt, da die Porengröße der Filtrationsschicht (< 20 nm) eine sichere Abtrennung von Viren aus Trinkwasser ermöglicht. Die gute chemische Beständigkeit der Membranen aus Polyethersulfon gewährleistet eine hohe Lebensdauer dieser Membranen.
Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen aus Polyarylethersulfonen finden daneben in vielen weiteren Bereichen Verwendung, wie z.B. in der Lebensmittelaufbereitung, der Prozesswasserbehandlung und in der chemischen Industrie.

Neue Entwicklungen

Die Eigenschaften der Polyarylethersulfone sowie deren Modifizierung, z.B. durch Verstärkungsstoffe, ermöglichen das weitere Vordringen der Materialklasse in Anwendungen als Metallersatz. Auch schäumbare Polyarylethersulfone können einen wesentlichen Beitrag zur Gewichtsreduktion im Fahrzeugbau liefern.

Autoren: Dr. Martin Weber, Dr. Christian Maletzko (BASF SE, Ludwigshafen)
Redaktionelle Bearbeitung: Lisa Süssmuth,GDCh
 

Literatur

1

[1] R.N. Johnson, A.G. Farnham, R.A. Clendinning, W.F. Hale, C.N. Merriam, J. Polym. Sci. A-1 (5), 2375 (1967).

2

[2] H. Strathmann, Introduction to Membrane Science and Technology, Wiley-VCH, Weinheim, 2011.

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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