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Fachgebiet Chemie der Polymeren: Die Arbeitsgruppe Rehahn

Die Arbeitsgruppe von Matthias Rehahn am Ernst-Berl-Institut für Technische und Makromolekulare Chemie befasst sich im Schwerpunkt mit funktionalen und kolloidalen Polymersystemen sowie Polymeren an Grenzflächen. Zu deren Aufbau werden neben Übergangsmetall-katalysierten Polykondensationsprozessen vor allem kontrollierte und lebende Polymerisationsverfahren genutzt.

Funktionale Polymersysteme

Elektrisch Leitfähige Polymere

Ein intensiv bearbeiteter Schwerpunkt gilt neuen Polymeren für die (Opto-)Elektronik. Hierfür werden neuartige sowie insbesondere höchst defektfreie intrinsisch halbleitenden Polymere entwickelt und in organischen Leuchtdioden (OLEDs), Feldeffekt-Transistoren (OFETs) und Solarzellen (OPVs) getestet.

Neben der Identifizierung der für eine Anwendung optimalen Konstitution soll die Frage geklärt werden, welche polymerisationsbedingten Defekte und Verunreinigungen und welche physikalischen Alterungsphänomene die Effizienz und Lebensdauer der Bauteile limitieren. Ziel ist, organischen und insbesondere polymeren Funktionsmaterialien den Weg in eine praktische Nutzbarkeit zu ebnen und so deren spezifische Vorteile tatsächlich auch nutzbar zu machen.

> SFB 595 Elektrische Ermüdung

Seitens der Materialklassen liegt der Schwerpunkt derzeit auf Poly(phenylen-vinylen)en, Polyfluorenen und Oligo(hetero)acenen sowie spezifischen Blockcopolymer-Systemen. Zu Bauteilen verarbeitet werden sie direkt aus homogener Lösung, als Precursoren sowie als kolloidale Dispersionen. Gerade für letztere gilt es, neben den Verfilmungsprozessen auch mit den Anwendungen kompatible Stabilisierungskonzepte zu entwickeln und die auf langen Zeitskalen erfolgenden physikalischen Alterungsvorgänge zu analysieren.

Polyelektrolyte

Aufgrund der Vielzahl an ionisch dissoziierbaren Funktionalitäten entlang ihres Polymer-Rückgrats können sich Polyelektrolyte eine Vielzahl von hoch interessanten Anwendungen erschließen. Die Spanne reicht von Superabsorbern und Verdickern bis hin zu High-Tech-Anwendungen als Membran für z.B. Batterien und Brennstoffzellen, als Stimulus-schaltbare Strukturen für die Katalyse oder Medizintechnik, als Funktionsschichten in der organischen Elektronik, als Transporter oder Modulatoren in der Biotechnologie oder für der Biomineralisation verwandte Vorgänge des Engineerings anorganischer Strukturen.

Um den Wert der Polyelektrolyte für solche Einsatzfelder weiter zu steigern und gezielter zu optimieren, ist ein fundiertes theoretisches Verständnis und eine Modellierbarkeit dieser Substanzklasse essenziell. Daher ist es eine zentrale Aufgabe im Arbeitskreis, Polyelektrolyte in ihrer ganzen Komplexität verstehen zu lernen. Hierfür werden systematische Studien der Eigenschaftsprofile (Kettenkonformation, Gegenionen-Aktivität, Aggregationsverhalten, …) sowohl an klassischen Polyelektrolyten wie auch an fragespezifisch aufgebauten Modell-Polyelektrolyten vorgenommen. Als ein Beispiel seien intrinsisch kettensteife Polyelektrolyte (z.B. auf Basis des Poly(p-phenylen)s) genannt, ein anderes sind Metallopolymere, deren Ladungsdichte über Redoxprozesse in weiten Grenzen variiert werden kann. Anwendungsseitig interessieren derzeit Polyelektrolyte insbesondere in Bezug auf Energiemanagement, Sensorik und Aktuatorik sowie stimulusschaltbare Membranen.

Laser
Temperatur-responsiv schaltbare amphiphile Blockcopolymer-Mizellen mit einer oberen und unteren Löslichkeitstemperatur.

Stimulus-responsive Polymersysteme

Stimulus-responsive Polymersysteme, wie sie im Arbeitskreis bearbeitet werden, rekrutieren sich nicht alleine aus der Stoffklasse der Polyelektrolyte. Vielmehr werden ergänzend auch Polymersysteme erforscht, die ihre Schaltprozesse anders als über Coulomb-Wechselwirkungen ausführen. Gezielt ausgelöste Entmischungs- und Aggregationsvorgänge sowie kooperative Konformationsumwandlungen sind hier exemplarisch zu nennen. Seitens der Synthese derartiger Polymersysteme liegt der Schwerpunkt auf den Verfahren der kontrollierten radikalischen und der lebenden an- und kationischen Polymerisationsverfahren, die zum Teil auch im Sinne von „grafting from“ und „grafting to“ Strategien auf spezifisch gestalteten und teils auch selbst funktionalisierten Oberflächen Einsatz finden.

Polymer-basierte Kolloide

Im Zuge der Integration des ehemaligen Deutschen Kunststoff-Instituts (DKI) in das Fraunhofer-LBF wurde die am DKI von Herrn Dr. Hellmann über viele Jahre entwickelte Kompetenz im Bereich der Emulsions- und Suspensions-Polymerisation und insbesondere ihre Nutzbarmachung in Richtung künstlicher Opalstrukturen als neuer Forschungsschwerpunkt in das Fachgebiet integriert. Aktuell wird auf der Basis dieser Kernkompetenz insbesondere die Entwicklung anisotroper sowie stimulusschalt- bzw. stimulusmodulierbarer Kolloidkristalle sowie deren Überführung in hybride und anorganische Systeme mit großem Nachdruck vorangetrieben. Ziele möglicher praktischer Umsetzungen sind beispielsweise optische Dehnsensoren, Keramiken mit besonderem Profil ihrer mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften sowie Systeme schaltbarer Permeation oder zur gezielten, durch äußere Trigger ausgelösten Wirkstoff-Freisetzung.

Polymere an Grenzflächen

Bis heute ist es eine nicht in allen Details verstandene Frage, wie sich Polymere, die in direktem Kontakt zu einer Grenz- oder Oberfläche befinden, in ihrem Eigenschaftsprofil von Polymerketten unterscheiden, die sich „im Bulk“ befinden. Unter anderem im Rahmen eines von der DFG geförderten Schwerpunktprogramms (SPP 1368) wird daher der Frage nachgegangen, wie man Polymerketten in spezifischer, wohldefinierter Weise an derartigen Ober- und Grenzflächen positionieren und dort auch selektiv analysierbar machen kann. Selektive Deuterierung und Neutronenstreuung erwiesen sich hierbei, neben anderem, als sehr leistungsfähige Werkzeuge. Das auch über vielfältige Kooperationen gewonnene Wissen wird derzeit zum einen dahingehend erweitert, dass die in der Ober- und Grenzfläche positionierten Polymere – und mit ihnen die Grenz- und Oberflächeneigenschaften insgesamt – auf externe Stimuli hin modulierbar werden. Als Beispiele schaltbarer Eigenschaften seien Kontaktwinkel, Biokompatibilität, Grenzflächenhaftung und Permeabilität genannt. Zum anderen werden die Erkenntnisse für aktuelle Fragestellungen aus der Praxis genutzt. Beispielsweise werden so neuartige haft- und phasenvermittelnde Additive entwickelt, die für maßgeschneiderte Haftung zwischen verschiedenen Kunststoffen oder Kunststoffen mit anorganischen Komponenten (Glas- und Kohlefasern, Füllstoffen, Sandwichstrukturen etc.) sorgen und so die Eigenschaftsprofile technisch eingesetzter Werkstoffe weiter verbessern und neue Materialkombinationen realisierbar machen.

Neue Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen

Der Einsatz nachwachsender Rohstoffe für die Herstellung von Kunststoffen wird im Allgemeinen vor dem Hintergrund betrieben, fossile Ressourcen zu schonen, den globalen CO2-Ausstoß zu reduzieren und – im Falle einer zusätzlich vorhandenen Kompostierbarkeit – alternative Verwertungsmöglichkeiten für Abfälle zur Verfügung zu haben. Dies sind jedoch nicht die hauptsächlichen Gründe für die Auseinandersetzung mit dieser Thematik im Fachgebiet. Im Vordergrund sehen hier vielmehr die besonderen Funktionalitäten von niedermolekularen Verbindungen und Makromolekülen aus nachwachsenden Rohstoffen, die aus erdölbasierten Rohstoffen kaum oder nur unter erheblichem Aufwand zu erzielen sind. Darüber hinaus werden auch neue und vor allem hochwertigere Verwendungsmöglichkeiten für derzeit existierende Stoffströme aus Land- und Forstwirtschaft gesucht, um bei der Herstellung neuer Materialien nicht in Konkurrenz mit der Nahrungsmittelerzeugung zu treten.

Aktuelle Projekte beschäftigen sich beispielsweise mit der Verwendung des bei der Papierherstellung in großen Mengen anfallenden Lignins, das derzeit überwiegend zur Energiegewinnung thermisch verwertet wird. In einem von der EU im 7. Rahmenprogramm geförderten Projekt wird es zum Beispiel als Ausgangsmaterial für die Herstellung alternativer, halogenfreier Flammschutzmittel für klassische Kunststoffe eingesetzt.

> EU Projekt Phoenix

Ebenfalls im Fokus steht die Nutzung von Naturfasern, die derzeit hauptsächlich für Textilanwendungen eingesetzt werden, als Verstärkung für verschiedene Kunststoffe. Hierbei wird vor allem eine verstärkte Faser/Matrix-Anbindung angestrebt um mechanische Eigenschaften zu verbessern und die Quellbarkeit der Verbundwerkstoffe zu reduzieren.