Funktionalisierte nanostrukturierte Polymerwerkstoffe
Das Hauptziel ist die Entwicklung von Polymerwerkstoffen mit verbesserten Eigenschaften für strukturelle Anwendungen im Leichtbau. Die Strategie zur Erfüllung dieses Zieles liegt in der gezielten Beimischung von Nanopartikeln zu einer Polymermatrix: z. B. verleihen Silika-Nanopartikel einem Polymer eine erhöhte Abrieb- und Hitzefestigkeit. Auf Kohlenstoff basierende Nanopartikel (Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphene) können ein Polymer fester und bruchsicherer machen, so dass sich hier vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau, sowie für die Herstellung von Gebrauchsgegenständen ergeben. Auch bei der Entwicklung von langzeitstabilen, leistungsfähigen Membranen zur Stofftrennung kommen Nanopartikel zum Einsatz. Zusätzlich zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften können Nanopartikel einem Polymer weitere Eigenschaften verleihen, wie z.B. eine erhöhte Resistenz gegenüber Chemikalien, antistatische Eigenschaften oder elektrische, bzw. thermische Leitfähigkeit.
Neben einfachen Polymeren als Matrix beziehen sich unsere Forschungen auch auf Copolymere und Blockcopolymere als Kandidaten für die Polymer-Matrix, weil sich hier faszinierende Möglichkeiten ergeben, Nanopartikel an bestimmte Domänen zu koppeln und so regelmäßige Anordnungen zu erhalten.
Somit ergeben sich zwei Forschungsschwerpunkte: Polymerbasierte Nanokomposite und Blockcopolymere.
Polymerbasierte Nanokomposite:
Die große Herausforderung bei der Mischung von Nanopartikeln in einer Polymermatrix besteht darin, die Tendenz der Nanopartikel zur Agglomeration zu überwinden. Um eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in einer Polymermatrix zu erreichen, werden die Nanopartikel chemisch modifiziert. Durch kontrollierte Polymerisations- oder Polykondensations-Reaktionen werden Nanopartikel mit Polymerketten dekoriert, wodurch die Mischbarkeit in einer Matrix und auch die Wechselwirkung zwischen Füllstoff und Matrix erhöht werden.
Als Matrix-Polymere werden z.B. Polyamide, Polyester und Polyoxazole untersucht.
beschichtete Kohlenstoffnanoröhrchen
organisch beschichtetes Gold-Nanopartikel
Gemeinsam mit der Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe "Nanochemie und Nanoengineering" wird an der Optimierung der Dispersion von Nanopartikeln durch Funktionalisierung der Nanopartikel-Oberfläche gearbeitet.
Ein Teil der Arbeiten erfolgt im Verbund mit Projektpartnern im Rahmen der vom BMBF geförderten CNT-Initiative sowie im Rahmen des von Helmholtz-Zentrum Geesthacht koordinierten EU-Projektes HARCANA.
Abteilung für Nanostrukturierte Materialien
HGF-Hochschulnachwuchsgruppe Nanochemie und Nanoengineering
Blockcopolymere:
Phasendiagramm für Zweiblockcopolymerschmelzen gleicher statistischer Segmentlängen. Die Stabilitätsbereiche für lamellare, gyroidale, zylindrische, sphärische und enggepackte sphärische Phasen sind bezeichnet mit L, G, C, S und Scp. Die TEM-Aufnahmen im oberen Bereich entsprechen den lamellaren, zylindrischen bzw. sphärischen Phasen von Polystyrol-Block-Polybutadien-Diblockcopolymer in folgenden Zusammensetzungen: S40B60 (lamellar), S25B75 (zylindrisch) und S21B79 (sphärisch). (Der Kontrast der Schemata ist invers zu den TEM-Bildern)
Blockcopolymere bestehen aus molekular definierten Blöcken thermodynamisch unverträglicher Polymersegmente, so dass sich Phasen nanoskopischer Dimension ausbilden. Hierauf beruht die faszinierende Eigenschaft der Blockcopolymere zur Selbstorganisation zu hochgeordneten Strukturen, wie Lamellen, Zylinder, Gyroide oder Kugeln. Für Anwendungen dieser nanoskaligen Strukturen, wie z. B. Musterbildung im Nanometerbereich, Nanolithographie, Schablonen oder auch Membranen zur Stofftrennung ist entscheidend, die Bedingungen zu kennen, die zur Ausbildung einer bestimmten Geometrie führen. Deshalb liegt unser Schwerpunkt in diesem Bereich auf der Erforschung der Morphologieentstehung, des Einflusses von veränderten Bedingungen auf die Bildung der Mikrostruktur und der Möglichkeit, diese Prozesse zu kontrollieren. Die morphologische und mechanische Charakterisierung der hergestellten Blockcopolymere wird sowohl an dickem Material als auch an dünnen Filmen durchgeführt. Ein Teil der Arbeiten hierzu findet in dem von Helmholtz-Zentrum Geesthacht koordinierten EU-Projekt SELFMEM statt.
Abteilung für Nanostrukturierte Materialien
