Hochleistungsmaterial Polyimid – erstmals eckig

Polyimide widerstehen extremer Hitze und chemisch aggressiven Lösungsmitteln und haben dabei eine deutlich geringere Dichte als Metalle. Daher setzt man sie in der Industrie gerne ein, etwa als Isolierschicht auf Leiterplatten oder in der Raumfahrt. Gerade ihre hohe Stabilität bewirkt allerdings, dass Polyimide sehr schwer zu verarbeiten sind. Weder durch Schmelzen noch durch Ätzen kann man sie in die richtige Form bringen. An der TU Wien wurde nun eine neue Synthesemethode entwickelt, die ganz neue Möglichkeiten für diese Materialklasse eröffnet: Durch einen technischen Trick konnten erstmals eckige Polyimidpartikel hergestellt werden.

Wenn man kleine Kunststoffpartikel herstellt, entstehen meistens annähernd kugelförmige Strukturen, so Miriam Unterlass vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Für viele Anwendungen sind runde Partikel aber schlecht geeignet. Oft verwendet man Flüssigkeiten, in denen Partikel mit spezieller Funktion enthalten sind, zum Beispiel als Farben und Schutzlackierungen. Die geometrische Form der Partikel entscheidet dann darüber, wie sich die Partikel in der Flüssigkeit anordnen und bewegen. Oft trocknen Flüssigkeiten, die Partikel enthalten, nicht gleichmäßig, weil beim Verdunsten eine ungünstige Strömung entsteht, die Partikel in eine bestimmte Richtung transportiert.

Durch Hitze können die Kristalle dann in Polymere umgewandelt werden / Bildquelle: TU Wien

Es gab daher immer wieder Versuche, Polyimidpartikeln oder ähnlichen Materialien eine kantige Form zu verpassen – bisher aber mit wenig Erfolg. Das Team von Miriam Unterlass an der TU Wien schlug nun einen ganz neuen Weg ein: Aus zwei verschiedenen Molekülen, die sich sonst auf recht ungeordnete Weise verbinden, wird zunächst ein eckiger Salzkristall hergestellt. Das gelingt, indem man die Reaktion in einem Gel ablaufen lässt. Das zähe Gel verlangsamt die Geschwindigkeit der Moleküle, die Reaktion wird gebremst und das Endprodukt sind wohlgeordnete Kristalle hoher Qualität mit einem Durchmesser von hunderten Mikrometern – sie sind mit freiem Auge sichtbar.

Dann folgt der entscheidende Schritt: Die Kristalle werden erhitzt, dabei kommt es zu einer weiteren chemischen Reaktion: Der Salzkristall wird zum Polyimid umgewandelt – im festen Zustand, ohne aufgelöst zu werden. Als Nebenprodukt entsteht Wasser. Die eckige Form des ursprünglichen Salzkristalls wird beibehalten und ein kantiger Polyimidpartikel entsteht.

Das Material widersteht praktisch jedem Lösungsmittel und es bleibt bis 700 °C stabil. Einsatzmöglichkeiten für derart widerstandsfähige Partikel gibt es viele. Man könnte sie mit anderen Materialien kombinieren und Schutzlacke erzeugen, oder Spezialmaterialien für die Weltraumfahrt.

Möglich wurde dieser Forschungserfolg durch die ungewöhnliche Kombination recht unterschiedlicher Bereiche der Chemie: Gelkristallisation, Hochleistungsmaterialien, Festkörpersynthesen und Kristallographie – das sind Arbeitsgebiete, die normalerweise nicht viel miteinander zu tun haben. Es war nicht einfach, derart unterschiedliche Herangehensweisen zusammenzuführen, aber am Ende hat es sich auf jeden Fall gelohnt. Mit derselben Methode – der Herstellung eines Salzes in Gel, das dann mit Hitze in Polymer-Partikel umgewandelt wird und die Kristallform erhält – sollten sich auch andere Hochleistungsmaterialien synthetisieren lassen. Weitere Experimente laufen bereits.

Originalpublikation – Shape-Anisotropic Polyimide Particles by Solid-State Polycondensation of Monomer Salt Single Crystals, Konstantin Kriechbaum, D. Alonso Cerrón-Infantes, Berthold Stöger and Miriam M. Unterlass, Macromolecules, 2015, 48 (24), pp 8773–8780, DOI: 10.1021/acs.macromol.5b01545

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