Werkstoffe: Polymere

Werkstoffe: Polymere

 

Kunststoffe sind aus dem heutigen Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Den wohl ersten dieser in der Natur so nicht vorkommenden Stoffe entwickelte der britische Chemiker Alexander Parkes: einen Werkstoff aus der Basis von Zellulose, der sich bei höheren Temperaturen leicht formen ließ, bei normaler Raumtemperatur aber fest und gleichzeitig flexibel blieb. Da sein Herstellungsverfahren sich technisch nicht sonderlich gut umsetzen ließ, verschwand die als Parkesin bezeichnete Substanz bald wieder vom Markt. Einige Jahre später wurde die Idee jedoch von dem Amerikaner John Wesley Hyatt wieder belebt. Er verwendete ein anderes Verfahren und konnte damit einen Ersatzstoff für die teuren Billardkugeln aus Elfenbein vorstellen, dem er den Namen Zelluloid gab.

 

Zelluloid lässt sich in dünnen biegsamen Schichten herstellen, die unter anderem als Trägermaterial für Filme oder als Hemdkragen Verwendung fanden, aber den Nachteil hatten, sehr feuergefährlich zu sein. Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte schließlich Henri Baekeland einen unschmelzbaren, harten, elektrisch isolierenden Kunststoff, der unter dem Namen Bakelit bald zu einem wichtigen Werkstoff in der Elektroindustrie wurde. Verwendet wurde Bakelit unter anderem zur Herstellung elektrischer Stecker und Schalter, für Telefongehäuse oder für die Gehäuse der ersten Radios. Obwohl das Produkt bald zahlreiche Konkurrenten hatte, fand eine organisierte Suche nach neuen Kunststoffen zunächst eher im Bereich der Textilindustrie statt und wurde 1935 in Form der Entwicklung der ersten rein künstlich hergestellten Faser, des Nylons, von Erfolg gekrönt. Erst ab etwa der Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich der heute als Kunststoffindustrie bezeichnete Wirtschaftszweig in vollem Umfang.

 

Besonders während des Zweiten Weltkriegs (1939—45) wurden gezielt Ersatzstoffe für natürliche Rohstoffe gesucht, weil deren Preise nach Kriegsausbruch bald in die Höhe schossen. Da viele kriegswichtige Naturprodukte wie etwa Kautschuk, die nur in tropischen Ländern gewonnen wurden, nun für zivile Zwecke nicht mehr zur Verfügung standen, mussten künstliche Gummiarten, neue strapazierfähige Kunstfasern und Isolatoren gefunden werden. Alle diese Produkte konnten nach und nach tatsächlich aus Polymeren hergestellt werden.

 

Polymere sind lange, zusammenhängende Molekülketten, in denen einfache Grundbausteine, die Monomere, immer wieder hintereinander auftreten. Kunststoffe erstarren meist in einem weitgehend ungeordneten, regellosen Zustand, der dem amorphen Zustand eines Glases ähnelt. Die Molekülketten in Polymeren sind verknäult oder ineinander verhakt, sodass sich beim Abkühlen einer polymeren Schmelze kein geordnetes Kristallgitter bilden kann. Dadurch erklärt sich die gleichzeitige Zähigkeit und Flexibilität vieler Kunststoffe: Die miteinander verflochtenen Molekülketten bilden ein stabiles Netzwerk, das zwar nicht leicht aufzubrechen ist, das sich aber im Gegensatz zu einem Kristallgitter doch leicht auseinander ziehen und zusammendrücken lässt.

 

Aufgrund ihrer makroskopischen Eigenschaften kann man Polymere in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere untergliedern, also in Substanzen, die schmelzbar und plastisch — beziehungsweise hart und unschmelzbar sind — oder ein elastisches Verhalten zeigen.

 

 Wie entstehen Polymere?

 

Damit ein Polymer entstehen kann, muss man dafür sorgen, dass sich eine Molekülkette bildet, an welche sich immer weitere Monomere binden können. Illustrativ ist hier die radikalische Polymerisation des Monomers Ethen (C₂H₄, Trivialname: Ethylen) zu Polyethylen. Ethen besitzt zwischen den beiden Kohlenstoffatomen eine Doppelbindung. Indem man dem gasförmigen Ethen unter hohem Druck geringe Mengen eines reaktionsfähigen Initiators (Radikals) zusetzt, wird die Kettenbildung gestartet. Der Initiator lagert sich an eines der Ethenkohlenstoffatome an, wodurch am anderen Molekülende eine freie Bindungsstelle, ein Radikalelektron, entsteht. Wenn sich ein zweites Ethenmolekül mit diesem freien Ende verbindet, verlagert sich die offene Bindungsstelle ans andere Ende des angelagerten Moleküls und steht nun dort zum Andocken eines weiteren Monomers bereit. Durch wiederholte Anlagerung von Monomeren wächst die Polyethylenkette. Im Verlauf des Kettenwachstums steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich die radikalischen Kettenenden untereinander verbinden, wodurch die Reaktivität verloren geht und eine weitere Anlagerung von Monomeren verhindert wird. Darüber hinaus gibt es verschiedene weitere Reaktionen, die nach einiger Zeit ebenfalls das Kettenwachstum beenden.

 

Die Polyaddition ist ein weiterer Mechanismus, der zur Bildung von langen Molekülketten führt. Ein Beispiel ist die Bildung von Polyurethanen aus Diisocyanaten und Diolen, wobei zur Kettenbildung Wasserstoffatome von einem Baustein auf den anderen übergehen müssen. Bei Polymerisationsreaktionen im engeren Sinn findet keine solche Umlagerung statt. Ähnlich wie die Polymerisation führt auch die Polykondensation zu langkettigen Produkten. Hierbei verbinden sich die »Bausteine« unter Abspaltung eines kleinen Moleküls, zum Beispiel von Wasser oder Methanol. Daher rührt auch der Begriff Kondensation: Die Gesamtmasse der Bausteine wird bei einer solchen Reaktion verkleinert, das Ausgangsmaterial wird quasi verdichtet. Dabei können die Bausteine aus einer Sorte mit verschiedenen Enden oder aus zwei Sorten mit jeweils gleichen Enden bestehen. Der Mechanismus lässt sich so veranschaulichen:

 

A —C —B+A —C —B → A —C —C —B+AB beziehungsweise:

 

A —C₁—A+B —C₂—B → A —C₁—C₂—B+AB

 

Die bei der Reaktion gebildeten Ketten können in der gleichen Weise weiterreagieren, solange man die niedermolekularen Reaktionsprodukte entfernt und Ausgangsstoffe nachgeliefert werden. Aufgrund der allmählichen Verfestigung wird dies immer schwieriger, sodass die Reaktion schließlich zum Stillstand kommt. Die Herstellung von Nylon aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure beruht auf diesem Reaktionstyp. Ein anderes Beispiel ist Polyethylenterephthalat (PET), aus dem manche Getränkeflaschen bestehen. Die Ausgangsstoffe sind hier Dimethylterephthalat und Ethylenglykol.

 

Das Grundgerüst eines Polymers ist — anders, als es manche chemischen Strukturformeln suggerieren — kein geradliniges Gebilde, sondern eine Zickzackkette, die darüber hinaus in vielen Bögen, Windungen und Schleifen verläuft. Die Ketten können sich leicht untereinander verhaken, woraus ein lockerer Verbund resultiert. Durch chemische Bindungen zwischen den Ketten, die bei geeignet gewählten Monomeren zusätzlich entstehen, bilden sich auch zwei- und dreidimensionale Netze aus. Der Grad der Vernetzung hat große Auswirkungen auf die späteren Eigenschaften des Moleküls. Er entscheidet, ob es sich um einen thermoplastischen, duroplastischen oder elastischen Werkstoff handelt.

 

Auch die Kettenlänge ist von Bedeutung. Sie wird bei der Polyaddition und Polykondensation durch zufällige Ereignisse bestimmt, deshalb entsteht normalerweise ein Gemisch ganz verschieden langer Ketten. Für manche Anwendungen ist es allerdings erforderlich, die Kettenlänge bei der Herstellung genauer festzulegen. Anfang der 1990er-Jahre gelang es, eine Substanz zu finden, mit der es möglich wurde, Polystyrolmoleküle von gut definierter Länge herzustellen. Diese als TEMPO (Tetramethylpiperidin-N-Oxid) bezeichnete Chemikalie hat chemische Verwandte, die sich nur geringfügig in ihrem Aufbau unterscheiden. Mit einer von ihnen, entdeckt Anfang 1999, lässt sich die Länge vieler weiterer Polymerketten steuern. Zusammen mit einem nur wenige Monate vorher vorgestellten Prozess, in dem die Polymerisation über die Temperatur gesteuert wird (unterhalb einer für jedes Polymer unterschiedlichen kritischen Temperatur wird nämlich die Bewegung der Monomere zu den Enden der Kette verhindert), hoffen die Wissenschaftler die Kettenbildung der gewünschten Anwendung anpassen zu können. So soll es bald möglich sein, in industriellem Maßstab Polymermoleküle zu erzeugen, deren Größe, Form und Oberfläche genau festgelegt sind. Man denkt dabei an Polymere, die etwa mit einzelnen biologischen Zellen oder Enzymen reagieren, oder an die Herstellung von winzigen Lochmasken für noch leistungsfähigere Computerchips.

 

 Thermoplaste

 

Kunststoffe, die über einen weiten Temperaturbereich eine hohe Verformbarkeit besitzen, bilden die Gruppe der Thermoplaste. Sie werden von Ketten gebildet, die überwiegend miteinander lediglich verhakt sind und ansonsten nur durch relativ schwache zwischenmolekulare Kräfte, die Van-der-Waals-Kräfte, verbunden sind. Dadurch können sich die Ketten bei Zug- oder Druckbelastung leicht gegeneinander verschieben. Die Beweglichkeit der Ketten nimmt bei steigender Temperatur zu, sodass ein Thermoplast beim Erwärmen weich wird und schließlich schmilzt. Erst bei noch höherer Temperatur kommt es zur Zersetzung des Kunststoffs. Bei tiefen Temperaturen werden Thermoplaste spröde und hart, da sich ein glasartiger Zustand einstellt. Die Spanne zwischen den beiden Extremen hängt vom jeweiligen Material ab und liegt zwischen etwa —100 und +200 Grad Celsius.

 

Thermoplaste zeigen unter mechanischer Belastung bei genügend hoher Temperatur ein charakteristisches Verhalten. Werden sie gedehnt, so kann das Material anschließend wieder in seine ursprüngliche Gestalt zurückkehren, wenn die Belastung nicht zu stark war (Elastizität). Wird jedoch eine bestimmte Grenze überschritten, so bleibt die Formänderung auf Dauer erhalten (plastische Verformung).

 

Wo die Elastizitätsgrenze liegt, hängt vom Material, von dem Grad der molekularen Verhakung sowie von Dauer und Geschwindigkeit der Belastung ab. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme der Thermoplaste zeigen einen eher schmalen elastischen Bereich.

 

Was sind die Ursachen dieses elastisch-plastischen Verhaltens? Innerhalb des elastischen Bereichs strecken sich die Moleküle in die Länge und rutschen kleine Strecken aneinander entlang. Die zwischen ihnen herrschenden Kräfte bleiben dabei weitgehend bestehen, sodass sich die Ketten nach der Belastung wieder in ihre ursprüngliche Position begeben können. Im plastischen Bereich werden die Ketten so stark deformiert, dass sich Knäuel entflechten und stark strecken. Die Moleküle kehren nicht wieder in ihre alte Lage zurück, da in ihrer neuen Umgebung völlig andere Kräfte wirken als vor der Belastung. Bei noch größerer Dehnung schnürt sich der Kunststoff ein, wobei die Moleküle nun weitgehend parallel zueinander ausgerichtet werden. Hier wachsen die zwischenmolekularen Kräfte noch einmal an, die den Molekülen neuen Halt geben können. Ein Zurückgleiten in die ursprüngliche Form ist dann allerdings nicht mehr möglich. Bei noch höherer Belastung reißt das Material schließlich. Eine ähnliche Betrachtung kann man auch für die Molekularbewegungen anstellen, die bei steigender Temperatur immer heftiger werden. Die zwischenmolekularen Bindungen lockern sich dabei allmählich und die Moleküle gleiten immer weiter aneinander vorbei, anfangs noch in reversibler Weise, später unter irreversibler Verformung. Die Festigkeit von Polymeren lässt sich durch gezielte Veränderung der molekularen Struktur steigern, etwa durch Ersetzen eines Wasserstoffatoms durch Seitenketten, die Atomgruppen enthalten, welche stärkere intermolekulare Wechselwirkungen verursachen.

 

Thermoplaste lassen sich auf vielfältige Weise verarbeiten. Häufig werden zunächst Granulate oder Flocken produziert, die mithilfe von Extrusion, Spritzguss, Blasformverfahren oder Spinnen in andere Formen gebracht werden.

 

 Duroplaste

 

Die Polymerketten von Duroplasten sind wesentlich engmaschiger vernetzt als die von Thermoplasten und haben daher kaum eine Möglichkeit, sich gegeneinander zu verdrehen und zu verschieben. Auch beim Erwärmen erweichen die Duroplaste nicht, da die rigide Verknüpfung die Beweglichkeit zu sehr einschränkt. Bei starker Erhitzung zersetzen sie sich allenfalls.

 

Viele Duroplaste liegen nach der Polymerisation zunächst harzartig vor. Durch die nachfolgende Verarbeitung wird der Vernetzungsgrad noch erhöht, sodass Duroplaste danach feste Körper bilden. Die Verarbeitung erfolgt unter anderem durch Einwirkung von Hitze, durch Vermischen unterschiedlicher Duroplaste oder aber großen Druck. Die Härte von Duroplasten ist vor allem für die Elektro- und Automobilindustrie eine interessante Eigenschaft. Hier dienen Duroplaste als Isolatoren oder als Bestandteile von Verbundstoffen im Karosseriebau.

 

Die verschiedenen Duroplaste lassen sich anhand ihrer Ausgangsverbindungen einteilen. So kennt man beispielsweise Phenole, zu denen das eingangs erwähnte Bakelit gehört, Amine, die als Klebstoffe und Laminate verwendet werden, Urethane, die als schaumförmige Dämmstoffe eingesetzt werden, Polyester oder Epoxidharze.

 

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Duroplasten lassen sich durch Kombinieren von Duro- und Thermoplasten noch steigern. Dies ist ein Beispiel von Copolymerisation, einer Methode, die bei Polymeren universell anwendbar ist. Indem man zwei oder mehr verschiedene Monomere vor oder bei der Polymerisation mischt, lassen sich Materialien erzeugen, deren Eigenschaften sich deutlich von denjenigen der einzelnen Komponenten unterscheiden. Durch die Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen hat man beispielsweise bei Verwendung von zwei Polymeren A und B die Möglichkeit, alternierende Abfolgen ABABAB, unregelmäßige (statistische) Folgen, Blockcopolymere (AAABBBAAA) und beliebige Varianten zu erzeugen. Bei der Kombination von Thermo — und Duroplasten können zum Beispiel lineare thermoplastische Ketten in ein quervernetztes, steifes Gerüst aus Duroplasten eingebettet werden, wodurch Durchdringungsnetzwerke entstehen.

 

 Elastomere

 

Elastomere übertreffen Thermoplaste um ein Vielfaches in ihrer Elastizität, Flexibilität und Reißfestigkeit. Sie lassen sich ähnlich wie Duroplaste in der Regel nicht ohne Zersetzung in der Hitze verflüssigen. Ihre besonderen Eigenschaften sind auf die spiralfederartig gewundenen, nur wenig quervernetzten Elastomerketten zurückzuführen. Diese können sich unter äußerer Belastung gegeneinander bewegen und verdrehen, kehren nach Ende der mechanischen Einwirkung aber wieder in ihre vorherige Lage zurück. Die wichtigsten Vertreter der Elastomere sind die Synthesekautschuke, die ihren Namen von dem heute als Naturkautschuk bezeichneten Gummi erhielten, der aus Latex oder Guttapercha durch Vulkanisation — Behandlung mit Schwefel — gewonnen wird. Der Schwefel wird dabei in Form von kurzen, verbrückenden Schwefelketten zwischen den Polyisoprenketten von Naturkautschuk eingebaut und sorgt für größere Festigkeit.

 

Es gibt eine Vielzahl von Synthesekautschuken. Beispiele sind Polybutadien, dessen Monomeres, das 1,3-Butadien, sich in vielfältiger Weise mit seinesgleichen verbinden kann und je nach Reaktionsbedingungen recht unterschiedliche Produkte liefert, sowie Copolymerisate aus Acrylnitril und Butadien beziehungsweise Styrol und Butadien. Letzteres ist ein Beispiel für ein thermoplastisches Elastomer: Es ist nachgiebig, dehnbar und lässt sich sogar schmelzen, was seine gute Recycelbarkeit ausmacht. Solche Blockcopolymere aus längeren steifen Abschnitten und elastischen Bereichen sind ein gutes Beispiel für die Bedeutung der Bausteinreihenfolge. Sie weisen in der Tat noch elastisches Verhalten auf, was bei einer rein alternierenden Folge elastischer und duroplastischer Bausteine nicht der Fall wäre. Allgemein dienen Elastomere als Grundstoff für Autoreifen, als Material zur Wärmedämmung und in der Elektroindustrie zur Herstellung von Schläuchen und Isolatoren.

 

 Künstliche Muskeln

 

Lange kettenförmige Moleküle sind keine Erfindung der Menschheit. Viele sind so alt wie das Leben selbst und daher überall in der Natur zu finden. Ein körpereigenes Biopolymer namens Elastin, welches unter anderem Adern, Sehnen und Bändern ihre Elastizität verleiht, wurde von Biochemikern und Materialwissenschaftlern gründlich unter die Lupe genommen. Dabei zeigte sich, dass das elastische Verhalten im Wesentlichen von drei unterschiedlichen Aminosäuren dieses Polypeptids bestimmt wird, nämlich von Valin, Prolin und Glycin. Um den molekularen Ursachen der Eigenschaften von Elasin auf die Schliche zu kommen, ersetzten die Wissenschaftler das Valin durch andere Aminosäuren wie Isoleucin oder Glutaminsäure und beobachteten die hervorgerufenen Veränderungen. Dadurch wiesen sie nach, dass dieses Biopolymer sowie seine künstlich veränderten Varianten zunächst in gestreckter Form vorliegen. Steigt jedoch die Temperatur an, dann faltet sich das Molekül zusammen und verdreht sich, sodass es nur noch wenig Platz benötigt. Die quer verbundenen Moleküle dieser Proteine verlieren allerdings bei der Dehnung nicht ihren Zusammenhang, die Quervernetzungen bleiben also erhalten. Lässt die Dehnung nach, kann das Material daher immer wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Wassermoleküle und die von ihnen vermittelten Bindungskräfte spielen dabei eine wichtige Rolle. Man begnügte sich aber nicht damit, das natürliche Protein zu untersuchen, sondern erzeugte ein ganz neues Polymer, in dem sich die Aminosäuren in einer definierten Reihenfolge wiederholten. Damit konnten die von Temperaturänderungen hervorgerufene Schrumpfung und Dehnung der Kette wie bei ihren natürlichen Verwandten erstaunlich gut reproduziert werden — wobei alle diese Polymere ein Vielfaches ihres eigenen Gewichts heben konnten. Anwendungen könnten solche Substanzen beispielsweise in der Medizintechnik finden. Sie könnten etwa aufgrund von spezifischen Umgebungsbedingungen — das Polypeptidmolekül reagiert auch auf die Säurestärke der Umgebung — gezielt Medikamente in den Körper entlassen. Ebenso sind biomolekulare Entsalzungsanlagen denkbar, in denen ein Polymer in Salzwasser schrumpft. Dabei bleibt das Wasser in dem Makromolekül gefangen, während das Salz ausgeschieden wird.

 

 Leuchtende Plastikfolien

 

Die speziellen optischen und elektrischen Eigenschaften einiger Polymere eröffnen ganz neue technische Möglichkeiten. So könnte sich die heute noch fantastisch anmutende Vorstellung eines Fernsehers in Form einer flexiblen Plastikfolie, die nach Gebrauch zusammengerollt und in die Schublade gesteckt werden kann, eines Tages realisieren lassen. Manche Kunststoffe sind nämlich in der Lage, in kontrollierter Weise elektrischen Strom in Licht umzuwandeln. Dazu verbindet man ein Polymer mit halbleitenden Materialien wie Cadmiumsulfid (CdS) oder Titanoxid (TiO₂). Je nachdem, welche Halbleiter eingesetzt werden, können mehrfarbige selbst leuchtende Displays im Innern einer Polymerfolie hergestellt werden. Als Spannungsversorgung reichen wenige Volt Gleichstrom. Ein solches — wenn auch noch recht primitives — Display wurde 1996 von den Firmen Philips und Hoechst vorgestellt. Grundlage hierzu ist das Light-Emitting-Polymer (LEP), das erstmals in den frühen 1990er-Jahren als möglicher Ersatz für Kathodenstrahlröhren auftauchte. Zwischen metallenen, aber transparenten Elektrodenschichten auf einem Glas- oder Kunststoffsubstrat platziert, stellen LEPs ein vollkommen neues Ausgangsmaterial für die Konstruktion von Bildschirmen dar. Die als Elektroden dienenden Polymerfasern lassen sich ähnlich wie bei handelsüblichen Flüssigkristallbildschirmen (Liquid-Crystal-Displays, LCDs) anordnen. Unterschiedlich vorbehandelte Polymere senden dabei Licht von unterschiedlicher Farbe aus. Da LEP-Bildschirme aus einem elastischen Kunststoff hergestellt werden, könnte diese Technologie einer neuen Bildschirmgeneration die Tür öffnen: Bildschirme in allen möglichen Formen und Größen und eben sogar aufrollbare Bildschirme sind dann denkbar. Der derzeitige Prototyp erinnert aber eher an die Anfänge des Fernsehens: Die Bildschirmdiagonale beträgt nur fünf Zentimeter, besitzt aber immerhin eine Auflösung von 800 mal 236 Bildpunkten und schimmert im grünlich monochromen Farbton der frühen Computerterminals. Schon bald soll aber ein Farbbildschirm in Gestalt eines rund zwei Millimeter dünnen Stückes Plastik serienreif sein. Da der Kunststoff selbst leuchtet, werden weder externe Beleuchtung noch Lichtfilter benötigt. Man verhindert dadurch hohe Herstellungskosten, wie sie bei LCDs auftreten. Unerreicht von anderen Flachdisplaytechnologien wird die Brillanz der Bilder und auch die hohe Bildaufbaugeschwindigkeit sein, die flimmer- und bewegungsspurenfrei schnell wechselnde Bilderfolgen zulassen wird.

 

 Membranen aus Polymeren

 

Wie schon beschrieben, eignen sich Werkstoffe mit porösem Aufbau sehr gut zur Trennung von Flüssigkeiten oder Gasen, die verschiedene Bestandteile enthalten. Auch Polymere können, unterschiedlich stark vernetzt, als Membran verwendet werden. Sie sind sogar die am weitesten verbreitete Werkstoffklasse, aus denen Membranen hergestellt werden, weil sie sich meist erheblich leichter verarbeiten lassen als Keramiken oder Gläser.

 

Für die Umwelt- und Bioanalytik werden beispielsweise Polymermembranen zur selektiven Anreicherung von Zielsubstanzen aus großen Probenvolumina entwickelt. Diese Membranen können die gewünschten Moleküle mit hoher Ausbeute und sehr schnell aus einer großen Flüssigkeitsmenge herausfiltern. Neueste Entwicklungen sind Affinitätsmembranen, mit denen einzelne Molekülspezies gezielt abgetrennt werden können. Man verwendet dabei Polymere, in die spezielle Moleküle eingebaut sind, die eine Anlagerung der gewünschten und aus der Probe abzutrennenden Substanzen auf der Membranoberfläche bewirken. Man nennt diese Membranen daher auch Oberflächenfilter.

 

Eine Verfeinerung dieser Technik ist das molekulare Prägen auf Mikrofiltrationsmembranen. Hier erfolgt die Trennung sowohl aufgrund von chemischen Affinitäten als auch aufgrund der Molekülform. Diese Membranen sind in der Lage, aus einem Gemisch selektiv eine bestimmte chemische Substanz zurückzuhalten, alle anderen aber durchzulassen. Hergestellt werden solche Filter, indem auf angepassten porösen Werkstoffen chemische Verankerungszentren geschaffen werden. Diese Verankerungszentren besitzen ein besonderes Bindungsvermögen (eine Affinität) für bestimmte Moleküle. Andere Stoffe lassen sie jedoch ungehindert passieren.

 

 Elektroviskose Flüssigkeiten

 

Das Innere von Stoßdämpfern kommender Automobilgenerationen könnte aus elektroviskosen Flüssigkeiten bestehen, entfernten Verwandten der Polymere. Diese Flüssigkeiten sind ein erstaunliches Material: In einem Moment dünnflüssig wie Wasser, erstarren sie im nächsten zu puddigartiger Konsistenz, um sich anschließend in Bruchteilen einer Sekunde wieder zu verflüssigen. Diese Gestaltwandler bestehen aus einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit, in der mikroskopisch kleine Partikel schweben. Es handelt sich hier streng genommen also nicht um eine homogene Flüssigkeit, sondern um eine Suspension — ähnlich wie Milch, die im Wesentlichen aus in Wasser suspendierten Eiweiß- und Fettpartikeln besteht. Das Besondere bei den elektroviskosen Flüssigkeiten ist nun, dass die suspendierten Teilchen elektrisch polarisierbar sind, das heißt, dass sich positive und negative elektrische Ladungen bei Anlegen einer elektrischen Spannung teilweise trennen. Eine Seite des Partikels wird positiv, die andere negativ geladen. Infolge der Ladungstrennung ziehen sich die positiv geladene Hälfte eines Partikels und die negativ Geladene eines anderen an. Die Partikel bilden auf diese Weise lange Ketten, die sich vom Pluspol der Spannungsquelle bis zum Minuspol erstrecken — ähnlich wie Eisenspäne in einem Magnetfeld. Über diese lineare Vernetzung hinaus wachsen die Ketten schließlich aufgrund ihrer elektrischen Ladungen auch schnell zu Stäben und Säulen zusammen. Als Konsequenz zeigt sich der elektroviskose Effekt: Die Zähigkeit der Flüssigkeit steigt mit der angelegten Spannung enorm an: von dünnflüssig über honigzäh bis zu gelartig steif ist alles möglich.

 

Dieses mechanische Verhalten macht die Flüssigkeiten für die Industrie interessant. Kupplungen könnten mit diesen Flüssigkeiten ähnlich wie ein fester Stoff arbeiten, also Kraft übertragen, solange ein bestimmtes elektrisches Feld herrscht, im Leerlauf würde man einfach das Feld abschalten. Entsprechend würde man die Viskositätsänderung bei Stoßdämpfern nutzen. Je heftiger der Stoß, desto stärker müsste das elektrische Feld sein und umso größer die federnde Wirkung der Flüssigkeit. Bis diese Erwartungen erfüllt sind, ist aber noch ein weiter Weg zurückzulegen, denn bislang sind nur Modelle, aber noch keine genauen Erkenntnisse über das Verhalten elektroviskoser Säulen bei Zug- oder Druckspannungen bekannt.

 

Allerdings gibt es noch praktische Probleme, unter anderem dadurch, dass die suspendierten Partikel im flüssigen Zustand fast wie ein Schleifmittel wirken. Bei geplanten Anwendungen wie Kupplungen mit nur wenigen beweglichen Teilen oder flexiblen Stoßdämpfern für die Kfz-Industrie sind also die erwünschten Eigenschaften noch weit von den tatsächlichen entfernt.

 

Dr. Gunnar Radons

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Verbundwerkstoffe: Teilchen-, Faser- und Schichtverbunde

 

Literatur:

 

Braun, Dietrich: Erkennen von Kunststoffen. Qualitative Kunststoffanalyse mit einfachen Mitteln. München u. a. ³1998.

 

Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen, herausgegeben von Wolfgang Grellmann und Sabine Seidler. Berlin u. a. 1998.

 Domininghaus, Hans: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. Düsseldorf ⁵1998.

 Ebert, Gotthold: Biopolymere. Struktur und Eigenschaften. Stuttgart 1993.

 Gennes, Pierre-Gilles de: Simple views on condensed matter. Neuausgabe Singapur u. a. 1998.

 Gennes, Pierre-Gilles de / Prost, Jacques: The physics of liquid crystals. Oxford ²1993. Nachdruck Oxford 1998.

 Heine, Burkhard: Einführung in die Polymertechnik. Leitfaden für Studium und Praxis. Renningen 1998.

 Hellerich, Walter u. a.: Werkstoff-Führer Kunststoffe. Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. München u. a. ⁷1996.

 Koswig, Hans Dieter: Flüssige Kristalle. Eine Einführung in ihre Anwendung. Berlin-Ost ²1990.

 

Kunststoffkunde. Aufbau, Eigenschaften, Verarbeitung, Anwendungen der Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere, herausgegeben von Otto Schwarz. Würzburg⁵1997.

 

Kunststoff-Lexikon, herausgegeben von Wilbrand Woebcken. München u. a. ⁹1998.

 Michler, Georg H.: Kunststoff-Mikromechanik. Morphologie, Deformations- und Bruchmechanismen. München u. a. 1992.

 

Polymere, herausgegeben von Hanno Schaumburg. Stuttgart 1997.

 

Technologie der Kunststoffe. Lern- und Arbeitsbuch für die Aus- und Weiterbildung, Beiträge von Walter Michaeli u. a. München u. a. ²1998.