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Materialerkenntnis Molekulare Schlaufen bestimmen Struktur von Kunststoffen

Quelle: Pressemitteilung der MLU Halle-Wittenberg 2 min Lesedauer

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Die Struktur von teilkristallinen Polymeren hängt davon ab, wie stark ihre Molekülketten ineinander verflochten sind, wie Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) zeigen.

Die mikroskopische Struktur teilkristalliner Kunststoffe ist geprägt von amorphen Bereichen, die keine Ordnung haben und kristallinen Arealen (die kreisförmigen hier). Forscher haben nun mehr Wissen darüber, wovon der Aufbau und damit die Eigenschaften solcher Polymere abhängen.(Bild: P. Sorgner)
Die mikroskopische Struktur teilkristalliner Kunststoffe ist geprägt von amorphen Bereichen, die keine Ordnung haben und kristallinen Arealen (die kreisförmigen hier). Forscher haben nun mehr Wissen darüber, wovon der Aufbau und damit die Eigenschaften solcher Polymere abhängen.
(Bild: P. Sorgner)

Im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) erschien eine Studie über das oben genannte Thema. Forscher der MLU entwickeln, wie es darin heißt, auf der Basis zahlreicher Experimente ein neues Modell, um die mikroskopische Struktur von Materialien und ihre Eigenschaften vorherzusagen. Polymere sind, das sagt schon der Wortteil „Poly“ sehr langkettige Moleküle. Und teilkristalline Polymere, wie Polypropylen (PP) oder Polyamide (PA) bestehen aus einer Mischung von kristallinen und amorphen (glasartigen) Anteilen, wenn sie fest sind.

Das passiert, wenn teilkristalline Kunststoffe abkühlen

Wenn Materialien aus der Schmelze abkühlen, bilden sie auf der Ebene von Molekülen meist eine kristalline Struktur aus, wobei alle Teilchen in einem fest geordneten Muster fixiert werden, was eben in Teilbereichen auch bei den oben genannten Kunststoffen passiert. Die nicht kristallisierten, amorphen Bereiche haben quasi molekulare Schlaufen, die miteinander verflochten sind. In teilkristallinen Polymeren wechseln sich also geordnete und ungeordnete Schichten auf der Ebene weniger Nanometer immer wieder ab. Durch diese spezielle Struktur erhalten sie auch ihre besonderen Eigenschaften: Sie sind flexibel, zäh und elastisch, aber dennoch relativ robust. Deshalb kann man aus PP belastbare Verpackungen herstellen und aus PA sehr robuste technische Komponenten.

Wissen über amorphe Bereiche in Kunststoffen erweitert

Die Eigenschaften von teilkristallinen Polymeren hängen dabei maßgeblich von zwei Faktoren ab – von der Dicke der jeweiligen Schichten und davon, wie stark die Ketten in den amorphen Bereichen miteinander verflochten sind, sagen die Forscher. Während man schon relativ viel darüber wisse, welche Faktoren die Kristalldicke beeinflussten, sei das Wissen über die amorphen Schichten noch relativ begrenzt. Die Forscher untersuchten deshalb den Prozess speziell für diese Schichten. Anhand ihrer Messungen an einem Modellpolymer fanden die Physiker schließlich heraus, dass die Dicke der amorphen Schichten maßgeblich durch ihre Verschlaufungen bestimmt wird. Die Wissenschaftler entwickelten danach ein einfaches Modell, um diesen Zusammenhang zu beschreiben. Die MLU-Forscher glauben nun, dass das Modell auf viele verschiedene Polymere übertragbar ist. Das betreffe auch jene, die nicht so bekannt seien. Die neuen Erkenntnisse könnten dabei helfen, bestehende Werkstoffe zu verbessern oder diese ganz oder zumindest teilweise durch nachhaltigere Alternativen zu ersetzen.

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie durch das Ministerium für Wissenschaft, Energie, Klimaschutz und Umwelt des Landes Sachsen-Anhalt gefördert.

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