Funktionale polymere Werkstoffe

Mit dem Ziel, Bauteile und Werkstoffe mit zusätzlichen Funktionalitäten auszustatten, werden »stimuli-responsive« Klebstoffe, selbstheilende Lacksysteme oder auch adaptive Verbundwerkstoffe entwickelt. Vor dem Hintergrund der Ressourcenknappheit und zunehmender Verschmutzung der Umwelt mit Kunststoffen spielen polymere Werkstoffe, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren oder biologisch abbaubar sind, eine große Rolle. So werden u. a. stärkebasierte Klebstoffe für Holzklebungen, Biokomposite aus Biopolymeren und Naturfasern für die Verpackungsindustrie oder Agrarwirtschaft und Additive aus Chitosan für Antifouling-Lackierungen entwickelt. Ebenso spielt Kohlendioxid als Rohstoff und Synthesebaustein eine Rolle, um die Atmosphäre von dem Klimagas zu entlasten. Hier stellen wir einige Forschungsthemen vor.

• Selbstheilende Beschichtungen
• Neue polymere Werkstoffe: Biobasiert und bioabbaubar
• Polymere Werkstoffe für Medizin und Medizintechnik
• Polymere für die Energiewirtschaft

Selbstheilende Beschichtungen

Beschichtungen sind oft extremen Bedingungen ausgesetzt. Die Kombination aus Umwelteinflüssen, inneren Spannungen und Alterungserscheinungen können zu Rissen in der Beschichtung führen. Durch diese Beschädigungen können Korrosionsschäden entstehen, die repariert und ausgebessert werden müssen (z. B. an Schiffen, Windenergieanlagen). Dies führt zu einem erhöhten Reparaturbedarf und damit auch zu hohen Kosten. Das Fraunhofer IFAM beschäftigt sich mit der Entwicklung und Prüfung von selbstheilenden Beschichtungen. Ein Ansatz verfolgt das Ziel, mikroverkapselte Korrosionsschutzinhibitoren in eine Beschichtung einzuarbeiten. Tritt dann eine Beschädigung der Beschichtung auf, reißen an der Stelle die Mikrokapseln auf, das enthaltene Heilungsreagenz fließt aus und härtet im Riss aus. Auf diese Weise lassen sich Risse wieder verschließen, sodass eine Rissfortpflanzung und tiefgründige Korrosionsschäden verhindert werden. Ein weiterer Ansatz besteht in der Entwicklung von Polymeren, deren molekulare Struktur eine Selbstheilung von Kratzern und Rissen aus dem Lackharz selbst erlaubt.

Neue polymere Werkstoffe: Biobasiert und bioabbaubar

Unternehmen verspüren den Druck der Konsumenten und der Politik, ihre Produkte und Halbzeuge nachhaltig herzustellen. Der erste Schritt zu einer besseren Ökobilanz besteht oftmals darin, vorhandene Kunststoffe durch neue Polymere, die biobasiert und/oder bioabbaubar sind, zu ersetzen. Das Fraunhofer IFAM verfolgt oftmals den Ansatz, neue Kunststoffe im Rahmen der von Unternehmen bereits genutzten Polymersystemen zu entwickeln. Das bietet die Vorteile, dass bekannte Materialeigenschaften erhalten bleiben können und Verarbeitungsprozesse nicht umgestellt werden müssen.

Polymere Werkstoffe für Medizin und Medizintechnik

In der Medizin und Medizintechnik werden immer mehr polymere Werkstoffe eingesetzt, an die besondere Anforderungen gestellt werden. Dies kann die gezielte Besiedelung mit körpereigenen Zellen sein, antimikrobielle Eigenschaften und eine hohe Beständigkeit im biologischen Milieu. Hierfür werden Prüfmethoden vorgehalten, um parallel zur Materialentwicklung entsprechende Prüfungen durchzuführen. Diese werden auch eingesetzt, um die Zelltoxizität zu ermitteln. Durch den parallelen Einsatz bei der Materialentwicklung ist sichergestellt, dass Abnahmeprüfungen in einem zertifizierten Labor bestanden werden. Neben dem Einsatz polymerer Werkstoffe in medizinischen Instrumenten werden auch solche für Operationen und zum Verbleib im Körper entwickelt. Hierbei handelt es sich z. B. um ein Klebstoffsystem zur rückstandsfreien Entfernung von Nierensteinen, welches von einer Ausgründung (der Purenum GmbH) auf den Markt gebracht wird oder auch zu Klebstoffen für die Operation von Hart- und Weichgewebe. Ein Schwerpunkt sind zudem Dentalmaterialien wie Adhäsive, Komposite oder 3D Druckharze. In diesem Themengebiet wird mit zahlreichen Ärzten und Kliniken kooperiert, um so den Bezug in die Praxis sicher zu stellen. 

Polymere für die Energiewirtschaft

Für eine erfolgreiche Energiewende braucht es Innovationen im Bereich der polymeren Werkstoffe, die sowohl bei der Erzeugung, beim Transport und der Speicherung erneuerbarer Energien eine wichtige Rolle spielen.

In Zukunft wird Wasserstoff als Energiequelle eine Schlüsselrolle in der Mobilitätsbranche, aber auch in der klimaneutralen Energieversorgung spielen. In der Luft- und Raumfahrt wird Wasserstoff in der Regel in verflüssigter Form unter extrem tiefen Temperaturen von -253°C gespeichert. Da in diesen Bereichen das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, sind Leichtbauwerkstoffe und insbesondere Kohlefaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) von besonderem Interesse als Material für Tanksysteme. Am Fraunhofer IFAM werden Kunststoffe entwickelt, die als Leichtbauwerkstoff oder als spezielle Barrierebeschichtungen den Einsatz der Bauteile unter extremen Temperaturen ermögliche und Dichtigkeit gegenüber dem extrem kleinen Wasserstoffmolekül gewährleisten.

Für die Dekarbonisierung der Wärme- und Kälteerzeugung ist grüner Wasserstoff eine wichtige Säule. Organische Trägerflüssigkeiten LOHCs – liquid organic hydrogen carriers werden als Alternative zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff erforscht. Neben Werkstoffen für neue Tankkonzepte werden polymere Werkstoffe im Projekt TransHyDE Helgoland als Klebstoff, Barriereschicht, Dichtstoffe und Klebstoffe betrachtet.

Elektrische Energiespeicher sind in vielen technischen Anwendungsfeldern unverzichtbar. Sicherheit und Effizienz sind essentielle Faktoren, denen die in Batterien eingesetzten Materialien genügen müssen. Am Fraunhofer IFAM werden polymere Werkstoffe erforscht und als Komponenten in Festkörperbatterien entwickelt.