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20.01.2016

Das Runde muss ins Eckige!

Kantige Polyimid-Strukturen erstmals synthetisiert

Polyimide widerstehen extremer Hitze und chemisch aggressiven Lösungsmitteln und haben dabei eine deutlich geringere Dichte als Metalle. Daher setzt man sie in der Industrie gerne ein, etwa als Isolierschicht auf Leiterplatten oder in der Raumfahrt. Die hohe Stabilität bewirkt jedoch, dass Polyimide schwer zu verarbeiten sind. Weder durch Schmelzen noch durch Ätzen kann man sie in die richtige Form bringen. An der TU Wien wurde nun eine Synthesemethode entwickelt, die ganz neue Möglichkeiten für diese Materialklasse eröffnet: Durch einen technischen Trick konnten erstmals eckige Polyimid-Partikel hergestellt werden.

So sehen die eckigen Salzkristalle aus, die zu Polyimid umgewandelt werden können. | © TU Wien

Runde Formen unerwünscht

»Wenn man kleine Kunststoffpartikel herstellt, entstehen meistens annähernd kugelförmige Strukturen«, sagt Miriam Unterlass vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Für viele Anwendungen seien runde Partikel aber schlecht geeignet. »Oft verwendet man Flüssigkeiten, in denen Partikel mit spezieller Funktion enthalten sind, zum Beispiel als Farben und Schutzlackierungen«, erklärt Unterlass. »Die geometrische Form der Partikel entscheidet dann darüber, wie sich die Partikel in der Flüssigkeit anordnen und bewegen.« Oft trocknen Flüssigkeiten, die Partikel enthalten, nicht gleichmäßig, weil beim Verdunsten eine ungünstige Strömung entsteht, die die Partikel in eine bestimmte Richtung transportiert.

Durch Gelkristallisation entsteht ein Salz, das dann durch Erhitzen zu Polymerpartikeln umgewandelt wird. | © TU Wien

Es gab daher immer wieder Versuche, Polyimid-Partikeln oder ähnlichen Materialien eine kantige Form zu verpassen – bisher aber mit wenig Erfolg. Das Team von Miriam Unterlass an der TU Wien schlug nun einen ganz neuen Weg ein: Aus zwei verschiedenen Molekülen, die sich sonst auf recht ungeordnete Weise verbinden, wird zunächst ein eckiger Salzkristall hergestellt. Das gelingt, indem man die Reaktion in einem Gel ablaufen lässt. Das zähe Gel verlangsamt die Geschwindigkeit der Moleküle, die Reaktion wird gebremst und das Endprodukt sind wohlgeordnete Kristalle hoher Qualität mit einem Durchmesser von mehreren Hundert Mikrometern – sie sind mit bloßem Auge sichtbar.

Dann folgt der entscheidende Schritt: Die Kristalle werden erhitzt, dabei kommt es zu einer weiteren chemischen Reaktion: Der Salzkristall wird im festen Zustand, ohne aufgelöst zu werden, in Polyimid umgewandelt, als Nebenprodukt entsteht Wasser. Die eckige Form des ursprünglichen Salzkristalls bleibt erhalten, Endprodukt ist ein kantiger Polyimid-Partikel.

Ein Material für besondere Einsatzzwecke

Das Material widersteht praktisch jedem Lösungsmittel und bleibt bis 700 Grad stabil. Einsatzmöglichkeiten für derart widerstandsfähige Partikel gibt es viele. Man kann sie mit anderen Materialien kombinieren und so Schutzlacke erzeugen oder Spezialwerkstoffe für die Weltraumfahrt entwickeln. Möglich wurde dieser Forschungserfolg durch die ungewöhnliche Kombination recht unterschiedlicher Bereiche der Chemie: »Gel-Kristallisation, Hochleistungsmaterialien, Festkörpersynthesen und Kristallographie – das sind Arbeitsgebiete, die normalerweise nicht viel miteinander zu tun haben«, sagt Miriam Unterlass.

Die neuen Salzkristalle in Nahaufnahme | © TU Wien

»Es war nicht einfach, derart unterschiedliche Herangehensweisen zusammenzuführen, aber am Ende hat es sich auf jeden Fall gelohnt.« Mit derselben Methode – der Herstellung eines Salzes in Gel, das dann mittels Hitze in Polymer-Partikel umgewandelt wird und die Kristallform erhält – dürften sich auch andere Hochleistungsmaterialien synthetisieren lassen. Entsprechende Experimente laufen bereits.

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Technische Universität Wien

Karlsplatz 13
AT 1040 WIEN
Tel.: +43 1 58801-41701
Fax: +43 1 58801-41093

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