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Vitrimere – neue Materialien für eine nachhaltige Nutzung von Kunststoffen

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Im Bereich der polymerbasierten Werkstoffe unterscheidet man typischerweise drei größere Klassen: Elastomere, Duromere und Thermoplasten. Elastomere zeichnen sich durch besondere Dehnbarkeit aus – sie sind elastisch verformbar. Es sind leicht vernetzte Polymernetzwerke – so wie beispielsweise vulkanisierte Kautschuke (z. B. im Autoreifen). Duromere sind hingegen hochvernetzte Polymere und weisen daher exzellente mechanische Eigen­schaften (z. B. Härte) auf und werden deshalb häufig in Kompositmaterialien (z.B. glas­faser­verstärkte Komposite) verwendet. Oftmals werden sie in der Anwendungsform ausgehärtet (d. h. Polymerisation der Monomere), da diese Materialien aufgrund der Netzwerkstruktur nach der Herstellung/Aushärtung kaum ver­ar­beitet beziehungsweise verformt werden können. Im Gegensatz dazu können Thermoplasten bei (hohen) Temperaturen sehr gut zu verarbeitet werden, da sie hier erweichen und somit leicht in eine andere Form überführt werden können. Allerdings kommen Thermoplaste mit ihren mechanischen Kennwerten nicht an Duromere heran.

Was sind Vitrimere?

Die bisher bekannten Werkstoffe basieren auf linearen Polymerketten (Thermoplaste), schwach vernetzten Polymeren (Elastomeren) oder hoch vernetzten dreidimensionalen Polymernetz­werken (Duromere). Sie alle weisen keinerlei reversible (also umkehrbare) Bindungen auf. Im Gegensatz hierzu haben Vitrimere eine spezielle Polymerstruktur. Sie weisen vergleichbar zu Elastomeren und Duromeren eine Netzwerkstruktur auf, allerdings enthalten sie reversible Gruppen, die unter bestimmten Umständen, meist erhöhte Temperatur, untereinander aus­tauschen können.[1] So „hüpfen“ die Einheiten untereinander hin und her und erzeugen da­durch eine Dynamik im Polymernetzwerk, welche zu einem Wechsel der Eigenschaften führt (siehe Abbildung 1, links). Obgleich der reversible Austausch abläuft, ist es immer noch ein Polymernetzwerk. Durch die Reversibilität wird quasi der Übergang von einem Duromer zu einem Thermoplasten ermöglicht. Insbesondere verändert sich die Viskosität der Polymere, also das Fließverhalten, wodurch die Materialien weicher und somit verarbeitbar werden.

Als erstes Vitrimer wurde ein Polymernetzwerk mit Estergruppen durch die Arbeitsgruppe von L. Leibler beschrieben.[3] Hierbei findet bei erhöhten Temperaturen eine Umesterung statt und die Bindungen tauschen untereinander aus. Weitere bisher genutzte reversible Gruppen sind z. B. vinyloge Urethane[4] oder Disulfide[5] (siehe Abbildung 1, rechts).

Was sind die besonderen Eigenschaften von Vitrimeren?

Vitrimere sind aufgrund ihrer besonderen Polymerstruktur eine neue Klasse von Materialien und verbinden das Eigen­schafts­spektrum von Duromeren mit der sehr guten Verarbeitbarkeit von Thermoplasten.[1] Somit stellen sie die Verknüpfung zweier – oftmals gegensätzlicher – Welten dar und haben daher sehr großes Potential für zahlreiche zukünftige Anwendungen.

Beispielsweise lassen sich somit neue Werkstoffe herstellen, die exzellente mechanische Eigen­schaften haben, aber dennoch sehr gut verarbeitet, recycelt und wiederverwendet werden können. Außerdem können sie dabei über intelligente Eigenschaften wie Selbstheilung oder Formgedächtnis verfügen.[2]

Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften könnten Vitrimere die Welt der Verbundwerkstoffe auf den Kopf zu stellen. Bisher können Polymerkomposite nicht (oder nur sehr schlecht) in ihre Einzelbestandteile getrennt werden. Daher scheint aktuell eine Wieder- oder Weiternutzung so gut wie unmöglich. Durch die Verwendung von Vitrimeren kann es allerdings möglich werden, solche Materialverbünde wieder voneinander zu trennen und die einzelnen Bestandteile erneut zu verwenden, so  z. B. faserverstärkte Kom­posite aus dem Flugzeugbau oder Rotorblättern von Windkraft­an­lagen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Austauschreaktion im Polymernetzwerk (links) sowie einiger typischer reversiblen Gruppen, welche für die Herstellung von Vitrimeren genutzt werden können (rechts).

Zusammenfassung

Vitrimere sind eine neue und noch vergleichsweise junge Klasse von Materialien, welche allerdings bereits ein enormes Potential für vielfältige Anwendungen in der Zukunft aufweisen. Aufgrund von (schaltbaren) reversiblen Austauschreaktionen zwischen funktionalen Gruppen im Polymernetzwerk, weisen Vitrimere mechanische Eigenschaften vergleichbar zu Duromeren auf und können nach Aktivierung des Austausches vergleichbar zu einem Thermoplasten verarbeitet werden. Somit bieten Vitrimere die prinzipielle Möglichkeit für eine nachhaltigere Nutzung von Kunststoffen in der Zukunft und eröffnen neue Möglichkeiten für ein Recycling von Verbundwerkstoffen.

Autoren: Dr. Stefan Zechel, Dr. Martin D. Hager, Prof. Dr. Ulrich S. Schubert,
Friedrich-Schiller-Universität Jena         
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh

Referenzen:

1

W. Denissen, J. M. Winne, F. E. Du Prez, Chem. Sci. 2016, 7, 30-38.

2

B. Krishnakumar, R. V. S. P. Sanka, W. H. Binder, V. Parthasarthy, S. Rana, N. Karak, Chem. Eng. J. 2020, 385, 123820.

3

D. Montarnal, M. Capelot, F. Tournilhac, L. Leibler, Science 2011, 334, 965-968.

4

W. Denissen, G. Rivero, R. Nicolay, L. Leibler, J. M. Winne, F. E. Du Prez, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 2451-2457.

5

M. Pepels, I. Filot, B. Klumperman, H. Goossens, Polym. Chem. 2013, 4, 4955-4965.

Danksagung

Die Autoren danken der Carl-Zeiss-Stiftung für die Förderung des Projekts „Vitrimere – eine neue Klasse von intelligenten Materialien für die nachhaltige Nutzung von polymeren Werkstoffen“.

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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