Neue biobasierte Polymere und Materialien

Hintergrund und Zielsetzung

In den vergangenen Jahren wurde die Entwicklung von biobasieren Polymeren und Materialien durch das gewachsene ökologische Bewusstsein und steigende fossilen Rohstoffpreise vorangetrieben. Mittlerweile stellen sie nicht nur Ergänzungen sondern auch echte Alternativen für herkömmliche, auf Erdöl und Erdgas zurückgehende Produkte dar.

Zurzeit werden biobasierte Polymere und Materialien entweder direkt durch Modifikation von natürlichen Polymeren wie z.B. Cellulose und Stärke hergestellt oder in integrierten Prozessen z.B. aus Kohlenhydraten hergestellt. Die Produkte dieser Prozesse können unseren heutigen Ausgangsverbindungen (Monomeren) entsprechen und als drop-in replacements direkt in bestehende Prozessketten integriert werden oder aber neue Strukturen aufweisen. Letztere werden z.B. in der Produktion von Polymilchsäure und Polybutylensuccinat sowie als Bausteine für funktionelle Polymere und Materialien, z.B. in biobasierten Verbundmaterialien, Klebstoffen, Lacken Additiven und Schäumen eingesetzt.

Das Potential von biobasierten Monomeren für die Herstellung neuer Polymere und Materialien für eine zukünftige, biobasierte Wirtschaft ist bislang noch nicht ausreichend untersucht und bewertet worden. Wir entwickeln neue biobasierte Polymere und Materialien mit dem Ziel der Substitution von fossilen Rohstoffen in etablierten Produkten und Anwendungen. Unser besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den Aspekten Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit.

Vorgehensweise

Die Grundlage für die Beantwortung unserer Fragestellungen sind umfassende Kenntnisse über die Herstellung, Verarbeitung und die Materialeigenschaften von polymeren Verbindungen. Neben der Untersuchung von kommerziellen Polymeren liegt der Schwerpunkt unserer Arbeiten auf der anwendungsspezifischen Entwicklung- und Optimierung neuer biobasierter Polymere und Materialien. Im Rahmen dieser Arbeiten synthetisieren wir neue funktionale Strukturen und führen umfassende Struktur- und Materialcharakterisierungen durch:

Entwicklung und Synthese
Die Entwicklung neuer biobasierter Polymere und Materialien ist Schwerpunkt unserer Forschungsarbeiten. Unter Verwendung von speziell für die zu substituierenden Anwendungen ausgewählten Monomere werden die physikalischen, thermochemischen und mechanischen sowie verarbeitungsrelevanten Eigenschaften grundlegend eingestellt. Durch gezielte Copolymerisation, Derivatisierung, Additivierung und Verstärkung erfolgt die weitere Optimierung.

Struktur- und Material Charakterisierung
Um die Eigenschaften von neuen Polymeren und Materialien verstehen und verbessern zu können, ist es essentiell strukturelle Besonderheiten mit spezifischen Funktionalitäten zu korrelieren. Die Ermittlung bestehender Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in den von uns untersuchten Stoffen ist daher zentrales Anliegen unserer Arbeiten.

Dazu setzen wir strukturbestimmende spektroskopische und chromatographische Methoden, z.B. die Infrarotspektroskopie, die Größenausschlusschromatographie mit Lichtstreudetektion, sowie die Massenspektrometrie ein. Durch die Erfassung unterschiedlicher Strukturparameter ergänzen sich diese Methoden sehr gut und liefern umfassende Strukturbilder.

Für die Materialcharakterisierung setzen wir in unserem klimatisierten Prüflabor unterschiedliche Prüfmaschinen und –methoden ein. Der prüfbare Lastenbereich reicht hierbei von <1 g bis 1 t. Die mechanischen Kennwerte werden durch rheologische und thermische Analysenmethoden ergänzt. Sie gestatten die Bestimmung des Schmelz- und Rekristallisationsverhaltens, des visko-elastischen Verhaltens und der thermischen Stabilität. Die ermittelten visko-elastischen, mechanischen sowie thermischen Daten und Kennwerte werden zur Modellierung und Beschreibung des Materialverhaltens unter Anwendungsbedingungen und zur Bewertung des Applikationspotentiales herangezogen.