Polymertechnologie
/imperia/md/images/hzg/institut_fuer_polymerforschung/geesthacht/fittosize__680_0_2435dbb2ae995b3229b223207d7cce52_katharina_mit_probe_am_nmr_img_3039_zuschnitt.jpg

Profil

In der Abteilung Polymertechnologie werden maßgeschneiderte Polymere (Homo- und Copolymere) für alle Abteilungen des Instituts den Anforderungen entsprechend synthetisiert mit Fokus auf Upscaling mittels neuer, großvolumiger Batchreaktoren (bis 20L) sowie mit Mikrofluidikreaktoren. Klassische kontrollierte Polymerisationsmethoden (z.B. anionische Polymerisation) kommen hier zum Einsatz, aber auch umweltfreundlichere Methoden, wie z.B. die RAFT-Emulsionspolymerisation, bei der organische Lösungsmittel zu einem großen Teil durch Wasser ersetzbar sind. Auch spezielle, nicht kommerzielle Monomere werden synthetisiert und polymerisiert, um Materialien für die Entwicklung neuer Membranen zu liefern. Der Syntheseverlauf wird in situ durch Inline-Spektroskopie-Methoden (1H, 13C, 19F-NMR, IR, UV-VIS) kontrolliert.
Ein wesentliches Element bei der Hochskalierung der Polymersynthese ist der Ansatz, die bei der Polymerherstellung anfallenden verunreinigten Lösungsmittel unter Verwendung von am HZG entwickelten Membrantechnologien weitestgehend zurück zu gewinnen, um so eine nachhaltige Verfahrensführung zu realisieren.

Die Forschungsschwerpunkte unserer Abteilung:

Von klein zu groß

Die Mikrofluidikreaktoren sind spezielle Reaktoren, bei denen eine bestimmte Reaktion (z.B. Polymerisationsreaktion) im Mikromaßstab stattfindet. Ein großes Oberflächen- zu Volumenverhältnis ermöglicht einen schnellen Wärme- und Stoffübergang, so dass die chemische Reaktion effizient und sicher abläuft. Durch Inline-Kontrolle von Durchfluss, Temperatur und Druck sowie die Möglichkeit, während des laufenden Reaktionsprozesses steuernd einzugreifen, lässt sich die Synthese optimieren, so dass der Betrieb automatisiert ablaufen kann und ein Upscaling der Produktsynthese über einen kontinuierlichen Betrieb erreicht wird.

Radikalische Polymerisation in Wasser - weniger organische Lösungsmittel

Die Emulsionspolymerisation ist eine Art der radikalischen Polymerisation, bei der ein Polymer in einer Emulsion aus Wasser, Monomer und Stabilisator synthetisiert wird. In der Abteilung Polymertechnologie wird die Emulsionspolymerisation sogar ohne die Verwendung eines Stabilisators durchgeführt, um mittels kontrollierter Polymerisation Polymere zu synthetisieren.
Polymere, die herkömmlicherweise über andere, auf Lösungsmitteln basierenden Polymerisationsverfahren synthetisiert wurden, können so auch in der Emulsion hergestellt werden, wodurch große Mengen an organischen Lösungsmitteln vermieden werden können.

Ausreichende Mengen für den Technologietransfer

Um Polymere in ausreichenden Mengen für den Technologietransfer herzustellen, kommen neben den Mikrofluidikreaktoren auch klassische große Batchreaktoren (bis 20L) zum Einsatz. In diesen Batchreaktoren wird die Polymersynthese u.a. über kontrollierte radikalische Polymerisation, über anionische Polymerisation sowie über Polykondensation durchgeführt. In einer Kombination aus mehreren hintereinandergeschalteten speziellen Reaktoren soll die gesamte Polymerherstellung stattfinden, von der Monomeraufbereitung über die Polymerisation bis zur Fällung des fertigen Produktes. Für die nahe Zukunft ist geplant, die hier bei der Polymerherstellung anfallenden verunreinigten Lösungsmittel mithilfe von HZG-Membrantechnologie wiederaufzubereiten, so dass sie erneut verwendet werden können.

Optimierung der Polymerisation durch In-Situ-Charakterisierung und Modellierung

Für die erfolgreiche Synthese des Polymers im Pilotmaßstab ist es wichtig, die Polymerisationsprozesse zu optimieren. Hierzu wird in zunehmendem Maße die Digitalisierung der Syntheseprozesse vorangetrieben, sowohl in Batchreaktoren als auch in den kontinuierlich arbeitenden Mikrofluidikreaktoren. Dies geschieht durch die Entwicklung von Modellen, die die Synthese der Polymere in „digitaler Form“ beschreiben und durchführen können, so dass eine Optimierung der Synthesebedingungen am Rechner und ohne Chemikalienverbrauch erreicht wird. Hierfür steht eine Vielzahl von wissenschaftlicher Software zur Verfügung, wie COMSOL Multiphysics, MATLAB, Aspen Custom Modeler usw.

Zur Validierung der Modelle müssen die erforderlichen Experimente durchgeführt und das synthetisierte Produkt gründlich charakterisiert werden. Diese klassische Charakterisierung findet in enger Zusammenarbeit mit den anderen Abteilungen des Instituts für Polymerforschung statt.
Zusätzlich wird der Synthesevorgang in-situ überwacht: Durch die Implementierung von NMR-, FTIR- und UV-VIS-Spektroskopie, die inline mit den Reaktoren verbunden sind, erfolgt eine Analyse der Proben in Echtzeit. Auf diese Weise werden nicht nur die für die Modellvalidierung notwendigen Daten bereitgestellt, sondern es ist auch möglich, in den laufenden Prozess einzugreifen, um die Synthese zu optimieren und somit unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden.