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11.09.2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Vitrimere – eine neue Werkstoffklasse erregt Aufsehen

Autor:
Dieter Beste
3:30 Min. Lesedauer

Ja, es gibt sie: nachhaltige Kunststoffe, die sich selbst heilen, intelligente Eigenschaften aufweisen und bei Bedarf recycelt werden können. Eine Forschungsgruppe der Universität Jena will dazu beitragen, die Geheimnisse der Vitrimere zu lüften.

Als im Juni 2015 in Paris der Europäische Erfinderpreis des Europäischen Patentamtes (EPA) verliehen wurde, betrat ein Materialforscher das Podest. Geehrt wurde der damals 64-jährige Chemiker Ludwik Leibler von der Pariser Hochschule für angewandte Physik und Chemie ESPCI ParisTech. Mit seinem Forschungsteam vom Labor für weiche Materie und Chemie hatte er eine neue Werkstoffklasse entwickelt, und zwar die Vitrimere (vitrimères, vitrimers).

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Polymerwerkstoffe werden üblicherweise in Duroplaste und Thermoplaste unterteilt, entsprechend ihrem thermischen Verhalten. "Duroplaste sind formstabil, thermisch stabil, kriechfest, chemisch beständig und steif", charakterisieren die Autoren des Beitrags "Performance-modified polyimine vitrimers: flexibility, thermal stability and easy reprocessing" in der Springer-Fachzeitschrift "Journal of Materials Science". Ihr Hauptnachteil bestehe jedoch darin, dass sie nach der vollständigen Aushärtung nicht umgeformt, wiederaufbereitet oder recycelt werden könnten, was sowohl zu ökologischen als auch ökonomischen Problemen führe. "Im Gegensatz dazu können Thermoplaste bei Erwärmung fließen, was eine mehrfache und einfache Verarbeitung ermöglicht, sind aber durch ihre geringere Festigkeit und Strukturstabilität bei hohen Temperaturen, ihrer Neigung zu Abrieb und ihre schlechte Lösungsmittelbeständigkeit eingeschränkt", rekapitulieren die Autoren von der Northwestern Polytechnical University in Xian, China. 

Im Weiteren berichten die chinesischen Autoren von den immensen Forschungsanstrengungen, die weltweit bisher schon unternommen wurden, Werkstoffe zu kreieren, die die Plastizität der Thermoplaste mit den hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Duroplasten kombinieren. In diese Lücke könnten nun die Vitrimere stoßen, über die Ludwik Leibler zusammen mit anderen 2011 in der Zeitschrift "Science" erstmals berichtet hatte. "Vitrimere sind eine vielversprechende Klasse von selbstheilenden Materialien aufgrund ihrer attraktiven dynamisch reversiblen Eigenschaften und der einfachen Herstellung ohne Katalysatoren", konstatieren  Hua Zheng, Qing Liu, Xingfeng Lei, Yanhui Chen, Baoliang Zhang und Qiuyu Zhang: "Vitrimere bestehen aus kovalent vernetzten Polymernetzwerken, die sich vom Verhalten von Thermoplasten (formbar und löslich) und Duroplasten (nicht verarbeitbar) unterscheiden, wiederaufbereitet werden könnten und erhöhten Temperaturen standhalten. Die Wiederaufarbeitbarkeit von Vitrimeren ist auf assoziative Austauschreaktionen zurückzuführen, die zur Bildung neuer kovalenter Bindungen und zum gleichzeitigen Aufbrechen alter Bindungen führen. Daher bleibt die Gesamtzahl der chemischen Bindungen und die Vernetzung während der ganzen Zeit der Verarbeitung konstant."

Verbundwerkstoffe, die sich bei Bedarf wieder trennen lassen

Vitrimere erregen inzwischen weltweit die Aufmerksamkeit der Materialentwickler, unter anderem, weil diese Materialien "schaltbar" sind. "Das heißt, ihre Verarbeitbarkeit kann gesteuert werden", sagt Ulrich Schubert von der Universität Jena. So ließen sich mit Vitrimeren theoretisch Verbundwerkstoffe herstellen, die bei Bedarf wieder getrennt und weiter genutzt werden könnten. 

Ludwik Leibler hat seine Werkstofferfindung in einem Video vorgestellt. Anlässlich seiner Auszeichnung mit dem Europäischen Erfinderpreis sagte er, dass diese neue Kunststoffklasse das Potenzial habe, die wachsenden Plastikmüll-Berge einzudämmen - der Werkstoff sei reparierbar und zu 100 Prozent recycelbar. In festem Zustand sei der glasartige Kunststoff stabil, unter Hitze lasse er sich jedoch immer wieder verformen und zu komplexen Objekten verschweißen. "Vitrimere bilden daher eine leichte und strapazierfähige Alternative zu Glas oder Metallen, zum Beispiel im Flugzeug- oder Fahrzeugbau sowie in der Elektronik, Bau- oder Sportindustrie."

Neue Generation von nachhaltigen Materialien

An der Universtität Jena wird nun Ulrich Schuberts Projekt "Vitrimere – eine neue Klasse von intelligenten Materialien für die nachhaltige Nutzung von polymeren Werkstoffen" über fünf Jahre hinweg von der Carl-Zeiss-Stiftung mit zwei Millionen Euro gefördert. "Besonders interessieren uns faserverstärkte Werkstoffe", sagt Schubert. "Hier wollen wir vor allem Glas- und Kohlenstofffasern in die neuen Kunststoffe einbetten, die u. a. für den Leichtbau und die Einsparung von CO2-Emissionen eingesetzt werden können. Uns interessieren aber auch Nanokomposite, in denen Nanofüllstoffe das Material verstärken." Davon, dass diese nachhaltigen neuen Kunststoffe eines Tages in Flugzeugen, auf Oberflächen oder etwa in Tennisschlägern zu finden sein werden, ist Schubert überzeugt. Allerdings "Vitrimere sind noch eine sehr junge Klasse von Kunststoffen. Konkrete Anwendungen sind bisher noch nicht vorhanden. Unser Ziel ist es aber, mit dieser Forschung eine neue Generation von nachhaltigen Materialien zu ermöglichen." 
 

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