Molekularer Durchbruch steigert die Haltbarkeit von Kunststoffen

Gepostet von Mitarbeitern | 30. August 2023

Kunststoff dehnt sich typischerweise aus und zieht sich zusammen, wenn er wiederholt heißen und kalten Temperaturen ausgesetzt wird, was seine Haltbarkeit in einer Reihe von Anwendungen beeinträchtigt. Additive können dieses Problem abmildern, aber die meisten Produkte kombinieren verschiedene Materialien, und die Verwaltung von Füllstoffen zum Ausgleich von Unstimmigkeiten bei der Wärmeausdehnung wird kompliziert. Forscher der Sandia National Laboratories haben möglicherweise eine Lösung – alles beginnt auf molekularer Ebene.

Das Team modifizierte ein Molekül so, dass es leicht in ein Polymer eingebaut werden kann, um dessen Eigenschaften zu ändern. Wenn das Molekül erhitzt wird, zieht es sich zusammen, anstatt sich auszudehnen, indem es eine Formänderung erfährt, erklärte Forschungsteamleiterin Erica Redline, eine Materialwissenschaftlerin.

„Wenn [das Molekül] einem Polymer hinzugefügt wird, zieht es sich weniger zusammen und erreicht ähnliche Ausdehnungs- und Kontraktionswerte wie Metalle. Ein Molekül zu haben, das sich wie Metall verhält, ist ziemlich bemerkenswert“, sagte Redline.

Einer der größten Faktoren für die Materialverschlechterung ist die wiederholte Einwirkung von heißen auf kalte Temperaturen und umgekehrt. Die meisten Materialien dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen, aber jedes Material hat seine eigene Änderungsgeschwindigkeit. Polymere beispielsweise dehnen sich am stärksten aus und ziehen sich zusammen, während sich Metalle und Keramik am wenigsten zusammenziehen.

Wenn in einem Produkt mehrere Materialien verwendet werden, was häufig der Fall ist, kann es zu Komplikationen kommen.

„Nehmen Sie zum Beispiel Ihr Telefon, das ein Kunststoffgehäuse hat, das mit einem Glasbildschirm verbunden ist, und darin die Metalle und Keramiken, aus denen die Schaltkreise bestehen“, sagte Redline. „Diese Materialien sind alle verschraubt, geklebt oder irgendwie miteinander verbunden und beginnen sich unterschiedlich schnell auszudehnen und zusammenzuziehen, wodurch sie sich gegenseitig belasten, was dazu führen kann, dass sie mit der Zeit reißen oder sich verziehen.“

„Ich dachte, was wäre, wenn ich ein perfektes Material heraufbeschwören würde? Wie würde das aussehen“, sagte Redline.

Redline glaubt, dass sie es mit Hilfe ihres Teams geschafft hat: Chad Staiger, Jason Dugger, Eric Nagel, Koushik Ghosh, Jeff Foster, Kenneth Lyons, Alana Yoon und den Mitarbeitern der akademischen Allianz, Professor Zachariah Page und der Doktorandin Meghan Kiker.

„Das Molekül löst nicht nur aktuelle Probleme, sondern eröffnet auch erheblich Gestaltungsraum für weitere Innovationen in der Zukunft“, sagte Dugger, ein Chemieingenieur aus Sandia, der sich mit möglichen Anwendungen, insbesondere in Verteidigungssystemen, befasst.

Die Erfindung kann für den 3D-Druck auch in unterschiedlichen Prozentsätzen in verschiedene Teile eines Polymers eingearbeitet werden.

„Man könnte eine Struktur mit bestimmten thermischen Verhaltensweisen in einem Bereich und anderen thermischen Verhaltensweisen in einem anderen drucken, um sie an die Materialien in verschiedenen Teilen des Artikels anzupassen“, sagte Dugger.

Das Molekül hat auch Potenzial für Leichtbauanwendungen und Klebstoffformulierungen.

Derzeit wird das Molekül nur in kleinen Mengen hergestellt – die Herstellung von 7 bis 10 Gramm dauert etwa 10 Tage.

Das Team arbeitet daran, die Produktionsschritte zu reduzieren, indem es im Rahmen des Technologiereifungsprogramms von Sandia 100.000 US-Dollar an Fördermitteln einsetzt, die dabei helfen, Produkte auf den Markt zu bringen.

„Meine Aufgabe ist es herauszufinden, ob es einen einfacheren Weg gibt, es auf kommerzieller Ebene umzusetzen“, sagte Postdoc Eric Nagel. „Es gibt nichts Vergleichbares da draußen. Ich bin wirklich begeistert von den Möglichkeiten, die diese Technologie bietet, und von den Anwendungen, die damit verbunden sein könnten.“

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