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Aug 28, 2023

Schwache Verbindungen ergeben starke Polymere

Überraschenderweise ist ein Material mit leichter auflösbaren Bindungen schwerer zu zerreißen. Chemiker vom MIT und der Duke University haben einen kontraintuitiven Weg entdeckt, Polymere stärker zu machen. Arbeiten mit

Überraschenderweise ist ein Material mit leichter auflösbaren Bindungen schwerer zu zerreißen.

Chemiker vom MIT und der Duke University haben einen kontraintuitiven Weg entdeckt, Polymere stärker zu machen.

Bei der Arbeit mit Polyacrylat-Elastomeren, bei denen es sich um Polymernetzwerke handelt, die aus Acrylatsträngen bestehen, die durch verbindende Moleküle zusammengehalten werden, stellten die Forscher fest, dass sie die Reißfestigkeit der Materialien um fast das Zehnfache erhöhen konnten, indem sie einen schwächeren Linkertyp verwendeten, um einen Teil des Polymers zu verbinden Bausteine.

Solche Polymere werden häufig in Autoteilen und als „Tinte“ für 3D-gedruckte Objekte verwendet. Die Forscher erforschen nun die Anwendung des Ansatzes auf andere Materialien, beispielsweise Gummi.

„Wenn man einen Gummireifen zehnmal reißfester machen könnte, könnte das dramatische Auswirkungen auf die Lebensdauer des Reifens und auf die Menge an Mikroplastikabfall haben, der abbricht“, sagt Jeremiah Johnson, Professor für Chemie am MIT einer der leitenden Autoren der Studie.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er offenbar keine anderen physikalischen Eigenschaften der Polymere verändert, wie zum Beispiel die Beständigkeit gegen Zersetzung beim Erhitzen.

„Polymeringenieure wissen, wie man Materialien härter macht, aber dabei geht es immer darum, eine andere Eigenschaft des Materials zu ändern, die man nicht ändern möchte. Hier erfolgt die Verbesserung der Zähigkeit ohne weitere wesentliche Änderung der physikalischen Eigenschaften – zumindest die, die wir messen können“, sagt Stephen Craig, Professor für Chemie an der Duke University und weiterer leitender Autor.

Das Projekt war eine Fortsetzung einer Studie aus dem Jahr 2021, in der Craig, Duke-Professor Michael Rubinstein und MIT-Professor Bradley Olsen die Stärke von Sternpolymernetzwerken maßen, die aus zwei Arten von Bausteinen bestehen: einer Sternform mit vier Armen und ein Linker, der sich an das Ende jedes Arms bindet und so eine netzartige Struktur erzeugt. Wie erwartet wurde das Material schwächer, wenn schwächere Endverbinder verwendet wurden, um die Polymerstränge zusammenzuhalten.

In der neuen Arbeit untersuchten die Forscher eine andere Art von Netzwerk, bei dem Polymerstränge an zufälligen Stellen mit anderen Strängen vernetzt sind, anstatt an den Enden verbunden zu sein. Diesmal wurde das Material durch die Verwendung schwächerer Linker deutlich reißfester.

Der Grund liegt nach Ansicht der Forscher darin, dass die schwächeren Bindungen zufällig als Verbindungen zwischen ansonsten starken Strängen im gesamten Material verteilt sind. Wenn dieses Material bis zur Bruchgrenze gedehnt wird, versuchen alle Risse, die sich durch das Material ausbreiten, die stärkeren Bindungen zu meiden und stattdessen durch die schwächeren Bindungen zu gehen. Das bedeutet, dass der Riss mehr Bindungen brechen muss, als wenn alle Bindungen die gleiche Stärke hätten.

„Obwohl diese Bindungen schwächer sind, müssen am Ende mehr von ihnen gebrochen werden, weil der Riss einen Weg durch die schwächsten Bindungen nimmt, was letztendlich ein längerer Weg ist“, sagt Johnson.

Tatsächlich waren Polyacrylate, die einige schwächere Vernetzer enthielten, neun- bis zehnmal schwerer zu reißen als Polyacrylate mit stärker vernetzenden Molekülen, selbst wenn die schwachen Vernetzer nur etwa 2 % des Materials ausmachten.

„Dass zwei Materialien die gleiche Struktur und die gleichen Eigenschaften auf Netzwerkebene haben, sich aber beim Reißen fast um eine Größenordnung unterscheiden, ist ziemlich selten“, sagt Johnson.

Diese Geschichte war Teil unserer September/Oktober 2023-Ausgabe.

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