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Polymere in magnetischen Hochfeld-Pulsen

Initiierung chemischer Reaktionen in Polymer-Polymer-Grenzschichten

Die Entwicklung neuer polymerer Verbundwerkstoffe beruht maßgeblich auf Kenntnissen der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Werkstoffmaterialien innerhalb der Grenzschichten. Voraussetzung für eine stabile Kompositerzeugung ist, eine dauerhafte Verbindung zwischen den verschiedenen Polymermaterialien. Chemische, besonders kovalente Bindungen, aber auch physikalische Wechselwirkungen bewirken eine dauerhafte Adhäsion und belastbare Verbindung.

Forschungsziel ist die Erzeugung einer festen Verbindung zwischen zwei oder mehreren Polymeren durch die Initiierung von chemischen Kopplungsreaktionen.
Mit Hilfe von Metallpartikeln, die in die Grenzschicht der zu verschweißenden Polymere platziert und sehr kurzen magnetischen Hochfeld-Pulsen ausgesetzt werden, erreicht man ein lokales Erwärmen der Grenzschicht durch induzierte Wirbelströme. Bei Überschreitung der Aktivierungsenergie wird die Bildung kovalenter Bindungen zwischen den Polymeren angeregt. Eine thermische Belastung der Bulk-Polymere bleibt im Prozess gering, da sich nur die Grenzschicht lokal aufwärmt.

Abb. Prinzip der Magnetpuls-gesteuerten Kopplung im Polymersystem Polycarbonat / Polyvinylamin.


Reaktives Verschweißen von Polymermaterialien – Neue Materialkombinationen

Unsere Forschungsarbeiten zielen auf die Entwicklung mechanisch stabiler Werkstoffe mit biokompatiblen Eigenschaften ab. Damit können sich neue Anwendungsfelder der „Individualisierten Medizin“ (Personalized Medicine).
Am Beispiel der Verbindung von Polycarbonat mit Polyvinylamin kann ein Hochleistungssystem gezeigt werden, dass sowohl für neue Endoprothesen, als auch künstliche Gefäße getestet wird. 

Kooperationspartner

  • Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Hochfeld Magnet-Labor
  • Technische Universität Dresden, Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus, Klinisches Sensoring und Monitoring
  • Universität Vilnius, Litauen, Institut für Allgemeine Physik und Spektroskopie

„Kalte“ Grenzschichtreaktionen

Wechselwirkungsarmer Transfer von Energie ins Innere des Materials. Initiierung chemischer Reaktionen. Verarbeitungsprozesse ohne Erhitzung des Bulkvolumens. Verarbeitung von Bio- bzw. nachwachsenden Makromolekülen. Kein materialklassenabhängiger Schrumpf nach Kopplung.

Biopolymere bzw. Biopolymer-Komposite sind aus Sicht der Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit den aus fossilen Rohstoffen hergestellten Polymermaterialien vorzuziehen. Beim Einsatz vom Kompositen oder Hybridbauweise tragen die Grenzschichten entscheidend zu den Materialeigenschaften bei. Ein gezieltes Grenzflächenengineering und leistungsfähige Analyse-methoden werden benötigt.

Bei thermisch nicht stabilen oder hydrathüllenstabilisierten Biopolymeren ist ein konventioneller Verarbeitungsprozess bei hohen Temperaturen ausgeschlossen. Die Erwärmung des Bulkvolumens zur Verarbeitung bewirkt eine irreversible Zerstörung der molekularen Strukturen. Stattdessen muss es Ziel sein, die Verarbeitungsenergie gezielt in die Grenzflächen einzutragen. Ohne Wechselwirkung mit dem Bulkmaterial treten unerwünschte Prozesse wie Verfärbung, Schrumpf oder Kettenabbau nicht auf.

Entwicklung von Verfahren zur „kalten“ Grenzschichtreaktion.

Chemische Kopplung in magnetischen Hochfeldern

Magnetische Hochfelder mit Feldstärken von bis zu 70 T und werden niederfrequent für den Energieeintrag in die Grenzschichten genutzt.

Anwendung, z.B. chemische Bonding/Debonding von thermolabilen Materialien, wie Hydrogelen oder Biopolymeren auch als Festphasen-Umsetzungen

Hochfrequenz-Felder zur Initiierung chemischer Reaktionen

Werden elektromagnetische Transducer in der Grenzschicht plaziert, kann eine lokal begrenzte Energieabsorption eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes erreicht werden.

Anwendung, z.B. chemische Grenzschichtreaktion, Kettenspaltung erzeugt eine zweite innere Phase, Kettenwachstum - Vernetzung von Biopolymeren an s-l- Grenzflächen im wässrigen System (Energieeintrag im Terahertz-Frequenzbereich)