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Jahressitzung des DGM-Fachausschusses “Polymerwerkstoffe” an der Universität Hamburg am 7./8.11.2013

Die diesjährige Jahressitzung des Fachausschusses „Polymerwerkstoffe“ wurde vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Hamburg unter Beteiligung des Instituts für Technische und Makromolekulare Chemie als Gastgeber ausgerichtet. Ihrer Tradition treubleibend diente sie dem Austausch und der Herstellung von Kontakten zwischen verschiedenen akademischen und industriellen Arbeitsgruppen aus den Bereichen Polymersynthese, Werkstoffverarbeitung und -charakterisierung in einem kleineren Rahmen.

Insgesamt acht Vorträge in der zweitägigen Sitzung aus diesen Themenbereichen gaben reichlich Gesprächsgrundlage und die Diskussionen wurden auch intensiv in den Pausen sowie beim gemeinsamen Abendessen fortgeführt.

Nach einer kurzen Begrüssung startete das Programm mit dem Beitrag „Joining of Polymeric and Metal-Polymer Structures by Frictional Heating“ von André B. Abibe (Institut für Werkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht), wo über die Herstellung von Polymer-Metall-Hybridstrukturen (auch bekannt als Polymer-Metall-Makrokomposite) berichtet wurde. Diese Strukturen gewinnen zunehmend an Bedeutung aufgrund der Gewichts- und Kostenreduktion gegenüber rein metallischen Bauteilen. Ein wesentliches Merkmal dieser Hybridstrukturen ist die scharfe Grenzfläche zwischen den polymeren und metallischen Bestandteilen, was eine sprunghafte Heterogenität der Eigenschaften zu Folge hat. Das Fügen von Polymer mit Metallen, aber auch das Fügen verschiedener Polymerbauteile ist ein noch junges Forschungsgebiet. Neben dem Reibnieten wurden verschiedene neuartige Fügeverfahren wie das Rührreibschweissen und das Rührpunktschweissen an einigen Beispielen erläutert.

Dr. Mehdi Hassan Nejad (Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung) stellte in dem Beitrag „Polysaccharide esters reinforced with nanoClays – structure and properties“ verschiedene veresterte Stärken und Cellulose vor, welche in der Schmelze mit nanoskaligen nichtmodifizierten bzw. organisch modifizierten Schichtsilikaten gemischt wurden. Ein bestimmtes nichtmodifiziertes Schichtsilikat wurde gefunden, welches zu einer deutlichen Erhöhung der Steifigkeit, Zugfestigkeit und Bruchdehnung führte, dies wurde auf eine geringe Polymerschädigung während der Verarbeitung und eine hohe Polymerorientierung durch den Füllstoff zurückgeführt.


Abb. 1: nichtmodifiziertes Schichtsilikat (Dellite, LVF, im Bild rot) führt zu signifikanten Verbesserungen von Stärkeazetat

Prof. Patrick Theato (Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, Universität Hamburg) gab anschliessend in seinem Vortrag „New Developments in Post-Polyerization Modification“ einen Überblick über eine Vielzahl von chemischen Reaktionsstrategien um Polymere nach ihrer Synthese nachträglich gezielt funktionalisieren zu können. Er zeigte viele interessante Beispiele, wobei ein Polymer besonderes Interesse auslöste, welches durch Redox-Reaktion seine spektralen Eigenschaften im nahen Infrarot veränderte.

Prof. Gerrit Luinstra (Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, Universität Hamburg) stellte am Beispiel von Polypropylen und Polyamid 6 die Herstellung von Kompositen durch die Polymerisation Filling Technique (PFT) vor. Als Füllstoffe kamen MWCNT, Halloysites und Graphen zum Einsatz. Durch diese Herstellungsmethode können exzellente Dispersionsgrade erreicht werden, insbesondere für Polypropylen. Die Voraussetzung ist die Anbindung des Polymerisationskatalysators an den Füllstoff, sodaß dieser quasi einpolymerisiert wird, was zu einer sehr guten Anhaftung zwischen Füllstoff und Matrix führt. Der Zugmodul solcher Komposite liegt über den Vergleichswerten von entsprechenden über Schmelzeverarbeitung hergestellten Vergleichsproben. Analoge Ergebnisse wurden für das Polyamid 6 gefunden, wenn eine Dispersion von MWCNT in Caprolactam polymerisiert wurde. Rheologische Messungen zeigen daß der kritische Füllstoffgehalt bei 0,8% liegt, worauf auch die ebenfalls bei diesem Wert stark ansteigende elektrische Leitfähigkeit hinweist. Die bessere Dispersion durch PFT wirkt sich auch in einer geringeren Sprödigkeit der Komposite und besseren Materialeigenschaften bei Füllgraden bis über 3% Füllstoffgehalt.


Abb. 2: Polypropylen mit MWCNT hergestellt durch PFT (l) und Schmelzeverarbeitung (r)

An diesen Beitrag schloss sich eine Führung durch das Institut für Technische und Makromolekulare Chemie an und der erste Tag endete mit dem inzwischen schon traditionellen gemeinsamen Abendessen, bei welchem die Gespräche bis spät in die Nacht fortgeführt wurden.

Zu Beginn des zweiten Tages der Fachausschusssitzung referierte Dr. Ulrich A. Handge (Institut für Polymerforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht) über die Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren und die Modifizierung von Blends aus Polyphenylenether (PPE) und einem Styrolacrylnitrilcopolymer (SAN) mit funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren. Mit Hilfe der sogenannten Atom Transfer Polymerisation Reaction (ATRP) kann die Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren mit Polystyrolketten funktionalisiert werden. Durch Variation der Reaktionszeit kann das Molekulargewicht der gepfropften Polystyrolketten kontrolliert werden. Die Funktionalisierung der Kohlenstoffnanoröhren mit Polystyrol führt dazu, dass die Nanopartikel in Blends aus SAN und PPE vorwiegend in der PPE-Phase vorliegen. Werden die Kohlenstoffnanoröhren mit statistischen Styrol-Methylmethacrylat-Copolymeren modifiziert, so liegen die Kohlenstoffnanoröhren bei einem relativ geringen Molekulargewicht der gepfropften Copolymerketten überwiegend an der Phasengrenze zwischen SAN und PPE vor.


Abb. 3: NMR-Spektrum der mit statistischen Styrol-Methylmethacrylat-Copolymeren funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren

Um die „Verwendung von thermoplastischen Elastomeren und leitfähigen Polymeren für dielektrisch elektroaktive Polymere (dEAP)“ ging es im Vortrag von Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim (Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik, Universität Kassel). Elektroaktive Polymere (EAP) können ihre Form ändern, wenn eine elektrische Spannung angelegt ist. Der Aufbau eines EAP`s ähnelt einem Kondensator. Ein Dielektrikum (hier ein thermoplastisches Elastomer) ist zwischen zwei Elektroden (leitfähiges Polymer) eingebettet. Werden die Elektroden mit Spannung beaufschlagt, ziehen sich die Elektroden an und das Dielektrikum dehnt sich aus. Im Idealfall dehnen sich die Elektroden mit aus. Mögliche Anwendungsfelder sind z.B. das Energy Harvesting oder taktile Displays in Smartphones, bei denen elektrische Energie in mechanische umgewandelt wird und/oder mechanische in elektrische Energie. In diesem Vortrag wurde die Herstellung solcher EAP`s gezeigt. Weiterhin wurde dargestellt, wie später solche Systeme mit den klassischen Kunststoffverarbeitungsverfahren hergestellt werden können.


Abb. 4: Leitfähiges flüssiges Polymer vor der Verarbeitung (links), fertiges elektroaktives Polymer (rechts).

Dr. Helmut Steininger (Material Physics – Properties of Polymeric Materials, BASF SE) widmete sich in seinem Beitrag „In-Depth Scratching at the Surface“ der Problemstellung von Kratzern in polymeren Oerflächen. Hochglanzoberflächen erfreuen sich eines regen Zuspruchs. In den von ihm betrachteten Fällen handelt es sich um lackierte Oberflächen, wie wir sie aus dem Automobilbau kennen, oder um nackte Kunststoffoberflächen von Geräteeinhausungen. Immer sind die Oberflächen Beanspruchungen ausgesetzt, die sie durch Kratzer verschandeln können, sei es bei der regelmäßigen Wagenwäsche oder dem alltäglichen Gebrauch. Der Lack- und Kunststoffindustrie ist daher daran gelegen für diese Anwendungen kratzfeste Produkte anzubieten. Hilfreich für die Bewältigung der damit verbundenen Entwicklungsaufgaben wäre es ein Verständnis davon zu haben welche der grundlegenden Materialeigenschaften die Kratzfestigkeit beeinflussen, um diese anschließend gezielt zu beeinflussen. Da Kratzen und Schneiden grundsätzlich verwandte Prozesse sind wurde versucht die erfolgreiche Methodik aus Schneidversuchen auf Materialeigenschaften zu schließen auf das Kratzen zu übertragen. Der Beitrag behandelte inwieweit es bisher gelungen ist auch für das Kratzen bruchmechanische Werkstoffkenngrößen, wie Streckspannung, Bruchzähigkeit, etc. in Beziehung zur Kratzfestigkeit zu setzen.


Abb. 5: Hochglanzlackiertes Auto und mögliche Ursachen für Kratzer

Priv.-Doz. Dr. Thomas F. Keller (DESY, Hamburg) stellte in seinem Vortrag „Heterogeneous Surface Nanostructures based on Self-Organizing Crystalline Co-Oligomer Films“ die molekulare Selbstorganisation von amphiphilen, kristallisierbaren Co-Oligomeren zur Erzeugung von heterogenen Oberflächennanostrukturen mit lateralen Strukturbreiten bis in den sub-10 nm Bereich hinein vor. Heterogene Oberflächennanostrukturen dieser Strukturbreiten können als Template u.a. im biomedizinischen Bereich zum Einsatz kommen. Die Oberflächennanostruktur soll ermöglichen, das Anlagerungsverhalten von Proteinen besser zu steuern und damit die Ordnung adsorbierter Proteinschichten günstig zu beeinflussen.

Kürzlich konnte gezeigt werden (Abb. 5), dass für ein kurzkettiges Co-Oligomer auf Polyethylen-Basis unter bestimmten Prozess - Bedingungen eine solche heterogene Oberflächennanostruktur eingestellt werden kann.


Abb. 6: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme einer Co-Oligomer basierten Oberflächennanostruktur mit schematisch dargestelltem Strukturmodell, nach „Extended-Chain Induced Bulk Morphologies Occur at Surfaces of Thin Co-Oligomer Films, R. Schulze, M. M. L. Arras, G. Li Destri, M. Gottschaldt, J. Bossert, G. Marletta, K. D. Jandt, T. F. Keller, Macromolecules 2012, 45, 4740, mit Genehmigung, American Chemical Society.

Die Veranstaltung endete mit einem gemeinsamen Mittagsimbiss, bei welchem auch der Ort und das Datum für die nächste Jahressitzung des Fachausschusses „Polymerwerkstoffe“ festgelegt wurde: Technische Universität Darmstadt Zentrum für Konstruktionswerkstoffe, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt am 6./7.11.2014). Interessenten sind wie immer herzlich willkommen!

Volker Abetz
Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Zentrum für Material- und  Küstenforschung GmbH