Vollständig mischbare Nanokomposite

  • 29. June 2011

Durch angehängte Polymerketten lässt sich das Verklumpen von Nanopartikeln in einer Kunststoffmatrix verhindern.

Polymere Nanokomposite bestehen aus einer Kunststoffmatrix und aus Nanopartikeln, die als Füllstoffe in die Matrix eingesetzt werden. Allerdings haben die Nanopartikel die Tendenz, innerhalb der Kunststoffmatrix zu verklumpen und verteilen sich daher nicht als vereinzelte Teilchen in allen Abschnitten der Matrix. Ein Forschungsteam um Stephan Förster der Universität Bayreuth hat jetzt in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Hamburg ein Verfahren entwickelt, das den Weg zur Herstellung vollständig mischbarer Nanokomposite öffnet.

Abb.: Eisenhaltigen Nanopartikel in einer Kunststoffmatrix (hier: Polystyrol). Die Nanopartikel werden durch eine Beschichtung aus Polymeren an der Verklumpung gehindert. Von der Länge der Polymerketten hängt es ab, wie weit die einzelnen Nanopartikel im Kunststoff voneinander entfernt sind. (Bild: Stephan Förster, Universität Bayreuth)  Abb.: Eisenhaltigen Nanopartikel in einer Kunststoffmatrix (hier: Polystyrol). Die Nanopartikel werden durch eine Beschichtung aus Polymeren an der Verklumpung gehindert. Von der Länge der Polymerketten hängt es ab, wie weit die einzelnen Nanopartikel im Kunststoff voneinander entfernt sind. (Bild: Stephan Förster, Universität Bayreuth)

Abb.: Eisenhaltigen Nanopartikel in einer Kunststoffmatrix (hier: Polystyrol). Die Nanopartikel werden durch eine Beschichtung aus Polymeren an der Verklumpung gehindert. Von der Länge der Polymerketten hängt es ab, wie weit die einzelnen Nanopartikel im Kunststoff voneinander entfernt sind. (Bild: Stephan Förster, Universität Bayreuth)

Die Ursache dafür, dass die Nanoteilchen sich nicht gleichmäßig in der Matrix verteilen, liegt darin, dass sie im Zustand der Verklumpung erheblich weniger Grenzflächenenergie aufwenden müssen, als wenn sie einzeln im Kunststoff vorliegen würden. Ausgangspunkt der von den Forschern vorgestellten Lösung dieses Problems sind Polymerketten, an deren Ende ein je Haftungsmolekül befestigt wird. Mit diesem Molekül hängt sich die Polymerkette an ein Nanopartikel an; und zwar so, dass sie mit ihrem einen Ende nahezu senkrecht auf der Oberfläche des Partikels steht, während ihr anderes Ende nach außen absteht. Auf diese Weise erhält jedes Nanopartikel eine aus Polymerketten bestehende Rundum-Beschichtung, wobei die nach außen abstehenden Polymerketten verhindern, dass sich die Nanopartikel allzu nahe kommen, wenn sie in die Kunststoffmatrix eingebracht werden. Mittels der Länge der Polymerketten lassen sich zudem die Abstände der Nanopartikel während der Herstellung regulieren.

Damit ist der Weg frei, um Funktionsmaterialien herzustellen, bei denen separate Nanopartikel in alle Abschnitte der Kunststoffmatrix eingelagert sind. Für industrielle Anwendungen sind solche polymere Nanokomposite sehr attraktiv, denn sie zeichnen sich durch eine erheblich bessere Transparenz aus, während sie aufgrund der verklumpten Nanopartikel trübe und undurchsichtig werden. Zudem ist die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Materialien umso stärker ausgeprägt, je gleichmäßiger sich die Nanopartikel im Kunststoff verteilen. Nicht zuletzt sind die Materialien dann auch hitzebeständiger und weniger leicht entflammbar.

Universität Bayreuth / MH


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