Reaktive Elektronenbehandlung von Polymeren: HTW Dresden

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Fakultät Landbau/Umwelt/Chemie

Reaktive Elektronenbehandlung von Polymeren

Beschleunigte Elektronen werden in verschiedenen thermischen und nicht-thermischen Anwendungen für den zeitlich und räumlich präzisen Energieeintrag in Werkstoffe genutzt. Im Gegensatz zu thermischen Anwendungen (Wärmebehandlung, Schmelzen, Schweißen, Bedampfen, Nanostrukturierung) zielt die nicht-thermische Elektronenbehandlung auf die Modifizierung der Materialeigenschaften durch die räumlich und zeitlich präzise Erzeugung chemisch reaktiver Spezies.

Die Arbeiten werden hierbei am Elektronenstrahl-Technikum der HTW Dresden durchgeführt, mit dem sowohl thermische als auch nicht-thermische Prozesse realisiert werden können

Beschleunigte Elektronen übertragen Energie und Ladung

Nach dem Verlassen der im Vakuum erzeugten und beschleunigten Elektronen treffen diese auf die zu modifizierenden Kunststoffe/Produkte. Die Behandlungstiefe der Elektronenwird über die Elektronenenergie gesteuert. Die pro Masse absorbierte Energie (Dosis) charakterisiert die Intensität der Elektronenbehandlung. Die Wechselwirkung beschleunigter Elektronen mit Materie unterliegt einer zeitlichen Abfolge und kann in die physikalische, physikalisch-chemische oder chemische Phase gegliedert werden.

Spaltung kovalenter Bindungen/ Bildung von Polymerradikalen

Die physikalische Phase umfasst den Energie- und Ladungstransfer beschleunigter Elektronen. Die physikalisch-chemische Phase endet mit der Bildung von Polymerradikalen.

Spaltung vorhandener C-C-Bindungen/ Bildung neuer C-C-Bindungen

In der chemischen Phase initiieren die Polymerradikale verschiedene chemische Reaktionen, die z. B. zur Spaltung vorhandener C-C-Bindungen (Polymerabbau) oder zur Bildung neuer C-C-Bindungen (Polymeraufbau) führen können. Die chemischen Reaktionen sind von polymerwerkstofflichen Eigenschaften abhängig, können über verfahrenstechnische Parameter während und nach der Elektronenbehandlung gesteuert werden und lassen sich wie folgt unterteilen:

Polypropylen und Polylactide neigen bevorzugt zur Spaltung von C-C Bindungen nach einer Elektronenbehandlung in Luft bei Raumtemperatur. Der Polymerabbau ist oft mit einer Oxidation und Gelbfärbung verbunden. Typische Anwendungen sind:

gezielte Einstellung der Schmelze-Massefließrate eines thermoplastischen Kunststoffes für Compoundieren, Spritzguss und Extrusion
Herstellung von Polytetrafluorethylen Mikropulver
Polymerabbau von Cellulose für die Herstellung von Viskose
Sterilisation von Medizinprodukten

Das Grafting beschreibt Radikalreaktionen mit doppelbindungshaltigen Monomeren und wird zur gezielten Oberflächen- oder Volumenfunktionalisierung genutzt. Die Aktivierung der Gerüstpolymere erfolgt z. B. mittels beschleunigter Elektronen. Die nachfolgende Graftcopolymerisation führt zur anwendungsspezifischen Funktionalisierung des Gerüstpolymers. Anwendungen sind:

Herstellung von Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellen und Vanadium-Redox-Flow-Batterien
Herstellung von Separatoren für Lithium Sekundärbatterien

Die Funktionalisierung bezieht sich auf die Reaktion von Polymerradikalen mit Luftsauerstoff. Dabei entstehen sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen wie -C=O, -OH und -COOH sowie Peroxide (meist Hydroperoxide). Typische Anwendungen sind:

Kompatibilisierung von Polymercompoundkomponenten
Eigennukleierung

Die Härtung charakterisiert die Polymerradikal induzierte Polymerisation und Vernetzung doppelbindungshaltiger Oligomere. Dabei bildet sich ein stark vernetztes nicht quellbares Duromer. Typische Anwendungen sind:

Härtung kohlenstofffaserverstärkter Reaktivharze (Faserverbundkunststoffe)
Härtung von Lacken und Beschichtungen auf verschiedenen Substraten
Herstellung drucksensitiver Klebstoffe

Die Vernetzung beruht auf der Rekombination von Polymerradikalen. Es entsteht ein nicht schmelzfließfähiges Polymer. Typische Anwendungen sind:

Vernetzung von Ein- und Mehrschichtrohren sowie Kabelisolationen
Herstellung von Schrumpfprodukten und Formgedächtnispolymeren
Herstellung von Schaumprodukten mit geschlossenen Zellen
partielle Vernetzung von Reifenkomponenten
Herstellung von Hydrogelen
Herstellung hochtemperaturbeständiger SiC-Fasern

Kooperationspartner

Prof. Dr. Sabine Beuermann, Clausthal University of Technology, Institute of Technical Chemistry, Arnold-Sommerfeld-Strasse 4, D-38678 Clausthal-Zellerfeld, Germany
Prof. Dr. Dan Xiao, Fujian University of Technology (FJUT), School of Materials Science and Engineering, No. 3 Xueyuan Road, 350118, Minhou, Fuzhou, China, https://www2.fjut.edu.cn/2017/0924/c5272a70507/page.psp
Dr. L. Mèszàros, Budapest University of Technology and Economics, Hungary, www.pt.bme.hu
Dr. M. D. Stelescu, National R&D Institute for Textiles and Leather, Romania, www.incdtp.ro
Dr. P. Rytlewski, Kazimierz Wielki University, Materials Engineering Department, Chodkiewicza 30 St, 85-064 Bydgoszcz, Poland, https://www.ukw.edu.pl
PhD eng. D. Constantinescu, S.C. Monofil S.R.L., Romania, http://www.monofil.ro/
Dr. K. Lauer, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, Konrad-Zuse-Str. 14, 99099 Erfurt, Germany, https://www.cismst.de
Dipl.-Ing. P. Janßen, MTH Metall-Technik Halsbrücke GmbH & Co. KG, Ladestrasse 3, 09633 Halsbrücke, Germany, www.mth-kg.de