Die Mischung macht’s: Maßgeschneiderte Poren in Blockcopolymer-Membranen

Durch Mischen zweier Blockcopolymere bilden sich in der daraus hergestellten Membran Poren einer mittleren Größe aus, wobei eine lineare Abhängigkeit zum Mischungsverhältnis besteht. [Abbildung HZG]

Sei es Wasseraufbereitung oder Abtrennen von Viren und Proteinen: Poröse Membranen finden ihre Anwendung in vielen unterschiedlichen Trennaufgaben. Besonders faszinierend und vielversprechend ist die Herstellung von isoporösen Membranen aus Blockcopolymeren, da diese bei geeigneten Bedingungen durch Selbstorganisation hochgeordnete Strukturen ausbilden können, im Idealfall einheitliche Poren (Information hierzu siehe unten).

Um effektive Membranen für spezielle Trennaufgaben zu entwickeln, ist die richtige Porengröße entscheidend. Darin liegt die größte Herausforderung: Wie muss das Blockcopolymer aufgebaut sein, um die gewünschte Porengröße zu erhalten? Bislang wurde für jede neu zu entwickelnde isoporöse Membran ein spezielles Blockcopolymer synthetisiert, das dann allein die gewünschte Porengröße lieferte.

Gemeinsam mit dem Leiter des Instituts für Polymerforschung in Geesthacht, Prof. Volker Abetz, hat die Geesthachter Polymerforscherin Dr. Maryam Radjabian nun ein zeitsparendes und überraschend einfaches Verfahren entwickelt: Durch simples Mischen zweier Blockcopolymere kann die gewünschte Porengröße über das Mischungsverhältnis eingestellt werden.

Die Polymerlösung wird hauchdünn auf eine Trägermembran aufgetragen. Foto: HZG/ Christian Schmid

Dabei sind die beiden Blockcopolymere aus den gleichen Monomeren aufgebaut, unterscheiden sich jedoch in der Anzahl der Wiederholungseinheiten in den Blöcken. Dadurch ergibt sich für jedes Blockcopolymer alleine eine andere Porengröße in der daraus gegossenen Membran.

Die Idee von Dr. Radjabian, durch Mischen zweier Blockcopolymere eine mittlere Porengröße zu erhalten, bestätigte sich in ihren Experimenten. Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten beim Design neuer Membranen.

Die Wissenschaftlerin am Institut für Polymerforschung erklärt: „Es ist ein großer Vorteil, dass man für eine gewünschte Porengröße kein exakt passendes Blockcopolymer synthetisieren muss, sondern einfach zwei ungefähr passende miteinander mischt.“

Schön gleichmäßige Poren auf der Membranoberfläche durch Selbstorganisation (darunter schwammartige Stützstruktur) [Bild: HZG]

Blockcopolymere bestehen aus mindestens zwei Monomersorten, die jeweils als Polymerblöcke (Aneinanderreihung gleicher Monomere) kovalent miteinander verbunden als ein Makromolekül vorliegen. Da die Blöcke eines solchen Makromoleküls so gewählt sind, dass sie nicht miteinander mischbar sind, findet durch Abstoßungsreaktionen eine Selbstorganisation der Makromoleküle statt (Mikrophasenseparation). Aus einer Blockcopolymerlösung lassen sich unter definierten Bedingungen isoporöse Membranen durch das Phaseninversionsprinzip herstellen. Die Grundlagen hierzu wurden in dem von HZG koordinierten EU-Projekt SELFMEM (2009-2012) erarbeitet.