„BE FUNCTIONAL! BE EXCELLENT!“
Kompetenzen und technische Anwendungen
In sechs Forschungsfeldern entwickelt der Bereich „Chemie von funktionellen Polymeren“ am PCCL innovative und anwendungsorientierte Material- und Prozesslösungen für die Industrie.
Für den Halbleiter- und Mikroelektroniksektor werden fotostrukturierbare Polymerbeschichtungen entwickelt, die sich durch eine exzellente Haftung auf Substraten, eine hohe Auflösung sowie eine schnelle und hochgradig reproduzierbare Prozessierbarkeit auszeichnen. In grundlagennahen Forschungsarbeiten werden schaltbare Polymere entwickelt, die ihre chemische Struktur und Materialeigenschaften an Umgebungsbedingungen anpassen können. Diese neue Klasse von funktionellen Polymeren eröffnet Wege für zukünftige Anwendungsfelder wie die Herstellung von selbstheilenden oder abbaubaren Beschichtungen und die Entwicklung von Adhäsiven mit einstellbaren Klebeeigenschaften.
Neben der molekularen Architektur von Polymeren beschäftigt sich das PCCL auch mit der Entwicklung von neuen und effizienten Vernetzungsstrategien für Polymere (v.a. für Elastomere und Duromere). Durch die Steuerung der Netzwerkchemie sowie der Netzwerkstruktur gelingt es Endeigenschaften von Elastomerprodukten (u.a. Reifen, Schläuche und Dichtungen für die Automobilindustrie oder auch Bedarfsartikel wie Handschuhe) gezielt einzustellen. Darüber hinaus setzt das PCCL neue Vernetzungsmechanismen zur Herstellung von Verbundmaterialien für die Mikroelektronik und die Hochspannungstechnik ein. Zusätzlich werden die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Verbundmaterialien werden durch den Einsatz von ausgewählten mikro- und nanoskalierten Füllstoffen optimiert. Die Oberflächen dieser Füllstoffe werden wahlweise modifiziert, um eine homogene Verteilung der Nanopartikel in der Polymermatrix zu gewährleisten und um Wechselwirkungen zwischen Füllstoff und Matrix zu beeinflussen. Das PCCL verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich der Modifizierung von Oberflächen und Grenzflächen. Zur gezielten Funktionalisierung von anorganischen und organischen Materialien werden sowohl etablierte als auch neu entwickelte Verfahren eingesetzt und Eigenschaften wie Benetzbarkeit, Reibung oder Adhäsion optimiert. Daneben werden Verbundmaterialien mit kontrollierten Bulk- und Grenzflächeneigenschaften hergestellt, die sich durch eine erhöhte thermo-mechanische Stabilität sowie verbesserte thermische und elektrische Leitfähigkeiten auszeichnen.
Darüber hinaus führt das PCCL Auftragsuntersuchungen im Forschungsfeld „Polymeranalytik“ durch und verfügt über umfassende Analysenmethoden zur Bestimmung der chemischen Struktur von Polymeren (GPC, FT-IR, UV-Vis und Fluoreszenzspektroskopie) sowie zur Charakterisierung von niedermolekularen Additiven (Pyrolyse GC-MS, HPLC-MS). Zusätzlich werden neue Analysenmethoden (low-field NMR Spektroskopie) entwickelt, die einen Einblick in die physikalisch-dynamischen Vorgänge von Polymeren, Elastomeren und Kompositen ermöglichen und eine detaillierte Charakterisierung der Netzwerkstruktur erlauben.
Wissenschaftlicher Ansatz
Der Bereich „Chemie von funktionellen Polymeren“ am PCCL beschäftigt sich in sechs unterschiedlichen Forschungsfeldern mit der Synthese neuer Polymere sowie der Erarbeitung anwendungsorientierter Materialkonzepte. In grundlagennahen Forschungsaktivitäten werden schaltbare Polymere, die nächste Generation an funktionellen Polymeren, entwickelt. Durch den Einbau von licht- oder thermosensitiven Gruppen werden intelligente Polymere hergestellt, die ihre Materialeigenschaften durch die Einwirkung von äußeren Reizen (u.a. Licht, Temperatur) gezielt ändern. Zukünftige Anwendungsfelder dieser steuerbaren Polymere sind selbstheilende Materialien und Kleber mit reversible Adhäsionseigenschaften.
Neben der Herstellung von Polymeren mit schaltbaren Funktionen, fokussiert das PCCL auf die Entwicklung von fotosensitiven Polymeren und Polymernetzwerken mit ortsaufgelösten Materialeigenschaften. Durch den Einsatz der vielseitigen Klick-Chemie (u.a. Thiol-En Reaktion) werden neue Fotolacke synthetisiert, die eine exzellente Haftung auf Substraten, eine hohe Auflösung sowie eine schnelle und hochgradig reproduzierbare Prozessierbarkeit aufweisen. Lichtgesteuerte Reaktionen werden auch als neue Vernetzungsstrategie für die Herstellung von biokompatiblen Elastomeren eingesetzt. Zusätzlich werden neue thermische Vernetzungsverfahren mit alternativen Vernetzungschemikalien (u.a. Immobilisierung der Vernetzer auf anorganische Füllstoffe zur Verringerung der Migration) verfolgt, die eine effiziente Herstellung von elastomeren Materialien mit verbesserter Hautverträglichkeit ermöglichen.
Im Forschungsfeld “Polymerbasierte (Nano)komposite“ werden neue Härtungsmechanismen entwickelt, um die Matrixeigenschaften von Verbundmaterialien zu beeinflussen. Elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften der Verbundmaterialien werden in weiterer Folge auch durch die gezielte Zumischung von mikro- und nanoskalierten Füllstoffen eingestellt. Zur Sicherstellung einer homogenen Füllstoffverteilung sowie einer maßgeschneiderten Haftung der Füllstoff-Matrixgrenzfläche, wird die Oberfläche der Füllstoffe modifiziert. Das PCCL nutzt sowohl nasschemische als auch Reaktionen mit reaktiven Gasen oder Plasmaverfahren zur Einstellung der Polarität und der chemischen Reaktivität von organischen und anorganischen Materialoberflächen. Neben etablierten Silanisierungsreaktionen werden auch fotochemische Ansätze verfolgt, die die Herstellung von strukturierten und texturierten Oberflächen (u.a. für ortsaufgelöste Änderung der tribologischen Eigenschaften oder der Adhäsionskraft) ermöglichen.
Die Forschungssarbeiten werden durch den Bereich Polymeranalytik unterstützt, der über umfassende Analysenmethoden zur Bestimmung der chemischen Struktur von Polymeren (GPC, FT-IR, UV-Vis und Fluoreszenzspektroskopie) sowie zur Charakterisierung von niedermolekularen Additiven (Pyrolyse GC-MS, HPLC-MS) verfügt. Darüber hinaus werden neue Analysenmethoden (low-field NMR Spektroskopie) zur Charakterisierung der physikalisch-dynamischen Vorgänge in Polymernetzwerken (u.a. Netzwerkdichte, Netzwerkdefekte, Wechselwirkungen mit Füllstoffen) erarbeitet.
Die wissenschaftlichen Erfolge des Forschungsbereichs spiegeln sich in den zahlreichen Veröffentlichungen in referierten Fachartikeln sowie in den Vorträgen bei renommierten Konferenzen im Bereich der Polymerwissenschaften wider (u.a. Makro, ACS Half-Year Meetings, ESPS, EPF, IUPAC World Polymer Congress and EUPOC Conferences). Das PCCL organisiert auch Symposien zu Spezialgebieten der Polymerchemie. Hierbei sind die Symposien wie “Polymer chemistry for functional materials materials” (ACS Fall Meeting 2018 in Boston, US) und “Advanced Polymer Photochemistry” (IMRC 2017 in Cancún, MEX) zu nennen. Darüber hinaus wurden die ForscherInnen des Bereichs mit namhaften nationalen und internationalen Preisen ausgezeichnet (u.a. Fast Forward Award 2012 und 2015, Paul Dufour Award 2015, EARTO Innovation Award 2016 und Josef Krainer Förderungspreis 2016).
Arbeitsgruppen
Der Forschungsbereich “Chemie von funktionellen Polymeren” gliedert sich in zwei Arbeitsgruppen:
