Einsatz der Milli- und Mikrofluidik zur Synthese monodisperser, hochgeordneter Polymerschäume

• Antragstellerin: Professorin Dr. Cosima Stubenrauch
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249176000

Als Verpackungen, Isolierungen und Aufprallschutzmaterialien haben Polymerschäume eine große kommerzielle Bedeutung. Abhängig von der Anwendung benötigt man Schäume mit bestimmten Eigenschaften, die man über die chemische Zusammensetzung sowie über die Schaumstruktur einstellen kann. Im geplanten Projekt geht es um die Frage nach der Beziehung zwischen Schaumstruktur und Materialeigenschaft. Will man die Schaumstruktur charakterisieren, so müssen Größe und Anzahl der Poren, die Porengrößenverteilung sowie die Konnektivität der Poren bestimmt werden. Die hohe Komplexität herkömmlicher Herstellungsprozesse macht eine Kontrolle der Schaumstruktur und damit der Eigenschaften des Produkts jedoch zu einer großen Herausforderung - teilweise auch unmöglich. Selbst mit Prozessen, mit welchen heutzutage Schaumstrukturen und damit Materialeigenschaften gezielt geändert werden können, ist es nicht möglich, monodisperse und hochgeordnete Polymerschäume zu erhalten. Die kommerziell erhältlichen Polymerschäume haben eine breite Porengrößenverteilung, so dass die Eigenschaften nur Mittelwerte der entsprechenden Verteilung darstellen. Erst die exakte Kontrolle der Schaumstruktur wird es erlauben, Polymerschäume mit definierten Eigenschaften herzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen neue Konzepte gefunden werden.Wir wollen solch ein neues Konzept exemplarisch für Polystyrolschäume entwickeln und werden dabei immer im Hinterkopf behalten, es später für eine möglichst breite Palette von Polymerschäumen nutzen zu können. Das Konzept basiert auf der Polymerisation monodisperser, hochgeordneter flüssiger Schäume bzw. Emulsionen, die durch eine Milli- bzw. Mikrofluidiktechnik erzeugt werden. Hinter dem Konzept verbirgt sich die Idee, die gewünschten Materialien über leicht herzustellende flüssige Template zu synthetisieren. Im ersten Fall handelt es sich um einen Schaum, dessen kontinuierliche Phase eine Styrol-in-Wasser Emulsion ist, d.h. dass zunächst Styrol mit einer wässerigen Tensidlösung emulgiert werden muss. Diese Emulsion wird dann mit der Millifluidiktechnik geschäumt und anschliessend mit dem Ziel polymerisiert, einen Polymerschaum zu erhalten, dessen Porengröße der Blasengröße des Templatschaums entspricht. Im zweiten Fall handelt es sich um Wasser-in-Styrol Emulsionen, die mit der Mikro- und Millifluidiktechnik erzeugt werden und deren Polymerisation zu einem Polystyrolschaum mit Porengrößen führen soll, die der Tropfengröße der Templatemulsion entspricht. Die Polymerisation erfolgt radikalisch mittels eines Redox-Initiators. Ist das Konzept ausgereift, so soll ein Weg gefunden werden, über den sich Polystyrolschäume mit einem definierten Gradienten der Porengröße herstellen lassen. Abschliessend ist geplant, die mechanischen Eigenschaften monodisperser Polystyrolschäume ohne bzw. mit Porengrößengradienten mit denen polydisperser Polystyrolschäume zu vergleichen, was quantitative Aussagen zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erlauben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen