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05.08.2021

19.03.2018

Hochleistungsmaterialien: Stark und stabil durch Mini-Kristalle

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Die Grundidee kommt aus dem Inneren der Erde: Dort können bei großer Hitze und hohem Druck Materialien entstehen, die sich an der Erdoberfläche kaum bilden würden. Für die Chemikerin Dr. Miriam Unterlass vom Institut für Materialchemie der TU Wien war das der Anstoß, über neuartige Syntheseverfahren für die Industrie nachzudenken. Tatsächlich gelang es ihr, bei Hitze und Druck Kristalle aus speziellen Hochleistungsmaterialien herzustellen, mit denen man nun die Eigenschaften von Plastik-Verbundwerkstoffen deutlich verbessern kann.

Das neue hydrothermale Syntheseverfahren ermöglicht nicht nur Materialien, die gegenüber Hitze, mechanischer und chemischer Belastung extrem widerstandsfähig sind, die neue Methode ist außerdem auch noch umweltschonender. Auf der Hannover Messe 2018 werden die hydrothermal hergestellten Polyimid-Kristalle nun erstmals international präsentiert.

Polymere und gekochte Spaghetti

"Viele Hochleistungsmaterialien sind organisch, sie bestehen großteils aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff", erklärt Miriam Unterlass. "Man verwendet sie etwa für besonders widerstandsfähige Schutzkleidung, in der Flugzeug- und Weltraumtechnik oder auch in der Elektronik - zum Beispiel für die Ummantelung von Bauteilen, die sehr heiß werden können."

Je nachdem, auf welche Weise diese organischen Materialien hergestellt werden, können ihre Eigenschaften allerdings recht unterschiedlich sein. "Die Widerstandsfähigkeit und Festigkeit dieser Materialien hängt nicht nur davon ab, mit welchem Polymer wir es zu tun haben, sondern auch davon, wie die einzelnen Polymerketten angeordnet sind", erklärt Unterlass.

Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren entsteht ein zufälliges Gewirr von Polymerketten. "Man kann sich das vorstellen wie einen Teller gekochter Spaghetti, die ganz unregelmäßig angeordnet sind", sagt Unterlass. "Bei unserer hydrothermalen Polymerisation hingegen bilden sich geordnete Polymer-Bündel, ähnlich wie die ungekochten Spaghetti, die man frisch aus der Packung nimmt." Dadurch entstehen zwischenmolekulare Bindungen zwischen den Polymeren, und höchst widerstandsfähige Kristalle können sich bilden.

Marktreife Technologie

In den letzten Jahren arbeitete Miriam Unterlass mit ihrem Team daran, die hydrothermale Synthese von Polyimid-Kristallen zu perfektionieren. Nun ist die Technik marktreif, und Unterlass gründete das Spin-off-Unternehmen UGP materials. "Die Hochleistungs-Kristalle, die UGP materials liefert, eignen sich ausgezeichnet, um Verbundwerkstoffe von höchster Qualität herzustellen", erklärt sie. "Man kann die feinen, leichten Kristalle gezielt in eine Matrix aus Kunststoff integrieren, um die genau passenden Materialeigenschaften für unterschiedliche Einsatzzwecke einzustellen."
So lässt sich die Festigkeit, die Steifigkeit, das Gleitverhalten oder auch die chemische und mechanische Widerstandskraft von Produkten gezielt beeinflussen.

Nicht nur das Endergebnis ist bei dem neuen hydrothermalen Herstellungsverfahren besser als bei herkömmlichen Synthesemethoden. Das neue Verfahren ist auch weit umweltfreundlicher: Man benötigt keine gefährlichen Lösungsmittel oder toxische Katalysatoren, verwendet werden nur Wasser, Druck und Wärme.

Quelle: Technische Universität Wien