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Department Chemie
Hornluftdosierung an einer Spritzpistole im Praktikum Lackapplikation Bildinformationen anzeigen
Kolorierte Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Effektpigmentes Bildinformationen anzeigen
Mittels des PeakForce QNM-Messmodus lassen sich nanomechanische Eigenschaften am Rasterkraftmikroskop ermitteln. Bildinformationen anzeigen
Kolorierte Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer mmonodispersen Polymerdispersion Bildinformationen anzeigen
Probenwechsel unter dem Infrarotstrahler Bildinformationen anzeigen
Ermittlung der Kornfeinheit mittels Grindometer im Praktikum Bildinformationen anzeigen

Hornluftdosierung an einer Spritzpistole im Praktikum Lackapplikation

Foto: Irina Regehr, CMP, Universität Paderborn

Kolorierte Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Effektpigmentes

Foto: Nadine Buitkamp, CMP, Universität Paderborn

Mittels des PeakForce QNM-Messmodus lassen sich nanomechanische Eigenschaften am Rasterkraftmikroskop ermitteln.

Foto: Irina Regehr, CMP, Universität Paderborn

Kolorierte Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer mmonodispersen Polymerdispersion

Foto: Nadine Buitkamp, CMP, Universität Paderborn

Probenwechsel unter dem Infrarotstrahler

Foto: Irina Regehr, CMP, Universität Paderborn

Ermittlung der Kornfeinheit mittels Grindometer im Praktikum

Foto: Irina Regehr, CMP, Universität Paderborn

Coatings, Materials & Polymers
Prof. Dr. Wolfgang Bremser

Selbst Organisation

Orientierungsgeordnete Polymere

Dieses Forschungsprojekt sucht Möglichkeiten, mit polymeren Materialien durch Einführung einer spontanen Orientierungsordnung zu mechanisch optimierten Werkstoffen zu kommen.

Lange Ketten polymerer Werkstoffe verknäulen sich. Der flüssige und auch der glasartig erstarrte Zustand solcher Materialien sind durch eine Nahordnung von Position und Orientierung der Kettensegmente gekennzeichnet. Erst bei Übergang in eine kristalline oder teilkristalline Phase stellt sich mit einer Positionsfernordnung von Kettensegmenten zwangsläufig auch eine Orientierungsordnung ein. Diese kann weitreichend sein und ist dann als Fernordnung zu beschreiben.

Niedermolekulare Systeme zeigen bei passender Molekülform (z.B. starre Stäbchen oder Scheibchen) zwischen der isotropen und der kristallinen die "flüssigkristallinen" Phasen, welche eigenständige, thermodynamisch stabile Zustände darstellen ("Mesophasen"). In diesen Fällen liegt keine oder nur eingeschränkte Positionsfernordnung (wie in einer gewöhnlichen Flüssigkeit), aber stattdessen eine spontane Orientierungsfernordnung vor (wie in einem gewöhnlichen Kristall).

Abbildung 1 Niedermolekularer "nematischer" Flüssigkristall, Vorzugsorientierung der stäbchenförmigen Moleküle (oder Molekülaggregate), keine Positionsfernordnung.

Aufgrund dieser aus Flüssigkeit und Kristall kombinierten Ordnungsmerkmale weisen niedermolekulare Flüssigkristalle nützliche Materialeigenschaften auf, u.a. optische und dielektrische Anisotropie, welche die Basis für LCD (Displays) darstellen.

Eine naheliegende Frage ist, ob auch polymere Werkstoffe synthetisiert werden können, die sich spontan orientierungsfernordnen und damit die besonderen Eigenschaften von Flüssigkristallen mit denen von Polymeren verbinden. Eine Orientierungsordnung von Kettensegmenten kann sich jedoch aufgrund der Fixierung an oder in die Polymerhauptkette nur eingeschränkt bilden. Die Realisierung polymerer Flüssigkristalle gelang daher erst viel später als die der niedermolekularen. Formanisotrope, starre Struktureinheiten in oder an einer Polymerhauptkette benötigen lange, flexible Zwischenglieder ("Spacer-Gruppen") zur Ausbildung einer Orientierungsfernordnung.

Abbildung 2 Nematische Phase eines Hauptkettenpolymers (vgl. Abb. 1)

Flüssigkristalline Hauptkettenpolymere haben vor ca. 30 Jahren ihre technische Anwendung als hochfeste Materialien gefunden. Ein Beispiel hierfür ist die Aramidfaser Kevlar, welche zu extrem belastbaren Tüchern verwoben wird, z.B. für Segel von Yachten oder auch als verstärkende Komponente in Kompositmaterialien analog zu faserverstärkten Kunststoffen. Aufgrund ihrer Orientierungsordnung weisen solche Materialien einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf und sind auch deswegen für die einfache Fertigung komplexer, hochfester  Leichtbauteile vorteilhaft.

Abbildung 3 Rosenkäfer

Das Vorbild Natur zeigt zahlreiche Beispiele für hochfeste Biopolymer-„Bauteile“; dazu gehören die Flügeldecken des Rosenkäfers und auch Muschel- und Hummerschalen. Letztere weisen eine ausgeprägt hierarchische Mikrostruktur auf: Die Biopolymerketten sind in der untersten Hierarchieebene der molekularen Organisation zu Strängen zusammengefasst, mehrere Stränge zu Bündeln, welche ihrerseits in unidirektionalen Schichten angeordnet sind. Stapelung solcher Schichten führt in der höchsten Hierarchieebene zu der bekanntermaßen widerstandsfähigen Hummerschale. Eine Besonderheit liegt dabei in der Art der Stapelung verborgen: Die Vorzugsrichtung der Faserbündel ist von Schicht zu Schicht verdreht; damit liegt eine sperrholzartige Struktur vor, welche hochgradig biegesteif, zäh und trotzdem leicht ist.

Angeregt durch natürliche Vorbilder sollen technische Materialien durch Einführung von Orientierungsfernordnung hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

Die Universität der Informationsgesellschaft