Alles im Fluss

Polymere können industriell sehr vielfältig eingesetzt werden. Je nach Polymer besitzen sie sehr gute Eigenschaften bei Trennprozessen in der Membrantechnik. Generell ist ihre Produktion relativ kostengünstig. Darüber hinaus besitzen Polymere sehr gute Verarbeitungseigenschaften. Man kann aus ihnen sehr dünne Membranen herstellen, die eine hohe Durchlässigkeit besitzen.

Dr. Ulrich Handge, Leiter der Abteilung Materialcharakterisierung und -verarbeitung.
Foto: HZG/ Christian Schmid

Wir untersuchen im Institut für Polymerforschung ein breites Feld an Kunststoffen. In der Regel verwenden wir thermoplastische Polymere. Sehr wichtig für unsere Forschung sind sogenannte Blockcopolymere, die aus unterschiedlichen, häufig inkompatiblen (das heißt nicht mischbaren) molekularen Blöcken bestehen. Unter geeigneten Bedingungen können wir eine poröse schwammartige Struktur herstellen, die es uns erlaubt, Stoffgemische zu trennen. Unserer Abteilung ist es zum Beispiel gelungen, ausgehend von Blockcopolymeren und dem Verfahren der Extrusion – hier wird eine Polymerflüssigkeit mit Druck durch einen schmalen Düsenspalt gefördert – einen Hohlfaden zu spinnen, der nach einem zusätzlichen Fällungsprozess eine isoporöse Außenhaut besitzt. Künftig lassen sich Hohlfadenmembranen zum Beispiel einsetzen, um Viren und Bakterien aus Trinkwasser zu filtern. Auch eine medizinische Anwendung, zum Beispiel für Dialysesysteme, ist denkbar.

Wie sieht das in der Praxis aus?

Bei Membranen sind die Porosität und die Porengröße wichtige Größen. Durch die Steuerung der Prozessparameter können wir darauf Einfluss nehmen. Bei Schäumen zum Beispiel ist die Viskosität maßgeblich verantwortlich für die Schaumdichte, die mittlere Zellgröße und weitere charakteristische Schaumeigenschaften, zum Beispiel ob der Schaum offenzellig oder geschlossen ist. Bei einem weit verbreiteten Membranherstellungsprozess, dem sogenannten Phaseninversionsverfahren, werden Lösungsmittel eingesetzt. Die Viskosität der verwendeten Polymerlösung besitzt wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften einer Hohlfadenmembran. In unserer Abteilung erforschen wir auch Herstellungsverfahren bei denen wir gezielt auf Lösungsmittel verzichten.

Die Lösungsmittel müssen in einem aufwendigen Prozess wieder aus der Membran herausgewaschen werden. In vielen Fällen sind sie gesundheitsschädlich. Jeder Verzicht auf Lösungsmittel nutzt der Umwelt. Außerdem müssen sie kostenintensiv entsorgt oder aufbereitet werden.

Wir können bereits ausgehend von der Schmelze Blockcopolymerschäume mit einer niedrigen Schaumdichte ganz ohne Lösungsmittel gewinnen. Auch mit Hilfe des Sinterverfahrens – ein Verarbeitungsverfahren, bei dem die Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur liegen – können wir funktionelle Membranen ohne Lösungsmittel herstellen. Für die Optimierung dieser Verfahren ist wieder die Kenntnis der rheologischen Eigenschaften der verwendeten Polymere in Abhängigkeit von der Temperatur und den Prozessparametern (zum Beispiel der Deformationsgeschwindigkeit auf mikroskopischer Skala) wichtig.

Die Geesthachter Polymertage gibt es seit 2012 mit jährlich wechselnden Schwerpunkten. Sie richten sich sowohl an Anwender aus der Industrie, als auch an universitäre und nichtuniversitäre Forschungseinrichtungen. In diesem Jahr beschäftigen wir uns mit der „Praktischen Rheologie von Polymeren“, weil wir uns bewusst sind, dass das Wissen über die Fließeigenschaften einen großen Stellenwert in der Praxis besitzt. Wir wollen unsere Expertise an die Anwender vor Ort vermitteln.

Zusammen mit den Referenten werden wir rund 40 Teilnehmer sein, die aus allen Ecken Deutschlands kommen.

Der Rheologie-Workshop vermittelt die Grundlagen der Rheologie (Fließ- und Deformationseigenschaften) und vertiefende Zusammenhänge. So werden unter anderem experimentelle Messmethoden beleuchtet, die sehr komplex sind. Foto: Anton Paar Germany GmbH

In dem Workshop wollen wir sowohl die Grundlagen, als auch vertiefende Rheologie theoretisch und experimentell betrachten. Dafür haben wir auf dem Gebiet erfahrene Wissenschaftler eingeladen, die uns dabei helfen, einen umfassenden Einblick in die Standard- und erweiterten Methoden der praktischen Rheologie zu geben. Im ersten Teil werden wir den Teilnehmern die Grundlagen der Fließeigenschaften, also auch wichtige Begriffe und Messmethoden, näherbringen. Gleichzeitig beleuchten wir zentrale Zusammenhänge im Kontext experimenteller Untersuchungen. Anschließend gehen wir auf die unterschiedlichen Eigenschaften von Polymerlösungen und Polymerschmelzen ein. Insbesondere experimentelle Messmethoden, die sehr komplex sind, wollen wir während des Workshops behandeln.