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25.03.2014 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Vernetzungsreaktion erreicht durch milde Wärme gute Materialheilungseigenschaften

Autor:
Katrin Pudenz

Ob Kratzer im Autolack oder Risse im polymeren Material: Selbstheilende Werkstoffe können sich selbst reparieren, indem sie nach Beschädigungen ihre ursprüngliche molekulare Struktur wiederherstellen. Forscher benötigen dafür lediglich milde Wärme.

Denn Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und Forscher von Evonik Industries haben eine chemische Vernetzungsreaktion entwickelt, durch die sich bei milder Erwärmung innerhalb kurzer Zeit gute Heilungseigenschaften des Materials erreichen lassen. Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichen sie im Fachmagazin Advanced Materials.

Die Karlsruher Forschungsgruppe um Christopher Barner-Kowollik nutzt zum Herstellen selbstheilender Materialien die Möglichkeit, funktionalisierte Fasern oder kleine Moleküle durch eine umkehrbare chemische Reaktion zu einem Netzwerk zu verknüpfen. Diese sogenannten schaltbaren Netzwerke lassen sich - nach einer Beschädigung - in ihre Ausgangsbausteine zerlegen und wieder neu zusammenfügen, erläutern die Experten. Dieser Ansatz habe den Vorteil, dass sich der Selbstheilungsmechanismus beliebig oft auslösen lasse, beispielsweise durch Hitze, Licht oder durch die Zugabe einer Chemikalie. "Unsere Methode ist vollkommen katalysatorfrei, sie benötigt keinerlei Zusatzstoff", betont Professor Barner-Kowollik, Inhaber des Lehrstuhls für Präparative Makromolekulare Chemie am KIT.

Neuartiges Polymernetzwerk

In rund vierjähriger Forschung hat der von Barner-Kowollik geleitete Arbeitskreis gemeinsam mit dem Projekthaus Composite der Creavis, der strategischen Innovationseinheit von Evonik, ein neuartiges Polymernetzwerk entwickelt. Bei vergleichsweise geringen Temperaturen von 50 bis 120 °C zeigt das Netzwerk in wenigen Minuten sehr gute Heilungseigenschaften, berichten die Wissenschaftler. Die benötigte Zeit zu verringern und die äußeren Bedingungen, unter denen der Heilungsprozess abläuft, zu optimieren, gehöre zu den wesentlichen Herausforderungen der Forschung an selbstheilenden Materialien. Einen Erfolg sehen die KIT-Forscher in der großen Zahl der intermolekularen Bindungen, die sich in dem von ihnen entwickelten Heilungszyklus beim Abkühlen in sehr kurzer Zeit wieder schließen. Zudem hätten mechanische Tests wie Zugversuche und das Prüfen der Zähigkeit bestätigt, dass sich die ursprünglichen Eigenschaften des Materials vollständig wiederherstellen lassen. "Es ließ sich nachweisen, dass die Testkörper nach der ersten Heilung sogar stärker gebunden sind als vorher", verrät Barner-Kowollik.

Übertragbar auf Bandbreite der bekannten Kunststoffe

Die selbstheilenden Eigenschaften sollen sich auf die große Bandbreite der bekannten Kunststoffe übertragen lassen. Neben der Selbstheilung erhalte das Material eine weitere vorteilhafte Eigenschaft: Da es bei höheren Temperaturen fließfähiger werde, lasse es sich gut umformen, berichten die Wissenschaftler. Ein Anwendungsbereich sei zum Beispiel die Teileproduktion aus faserverstärktem Kunststoff für die Automobil- oder Luftfahrtindustrie.

Zum Konsortium, das die neuartige Vernetzungsreaktion entwickelt hat, gehören als Industriepartner das Chemieunternehmen Evonik Industries, sowie unter anderem das Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden und die Australian National University, Canberra, an.

Die Forschungsergebnisse können in Advanced Materials (Kim K. Oehlenschlaeger, Jan O. Mueller, Josef Brandt, Stefan Hilf, Albena Lederer, Manfred Wilhelm, Robert Graf, Michele L. Coote, Friedrich G. Schmidt and Christopher Barner-Kowollik: Adaptable Hetero Diels-Alder Networks for Fast Self-Healing under Mild Conditions. Advanced Materials, 2014. DOI:10.1002/adma.201306258.) nachgelesen werden.

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