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04.03.2011

14:57 Uhr

Materialforschung

Neuer Kunststoff heilt sich selbst

Unkaputtbare Dinge sind eine Erfindung der Werbung. Gerade Kunststoffbauteile, die hohe mechanische Belastungen aushalten müssen, können brechen. Um gefährliche Mikrorisse zu stoppen, setzen Forscher jetzt auf selbstheilende Kunststoffe.

Bereits 30 Minuten nachdem das Kunststoffbauteil mit Ionen ausgestattet wurde, hat sich der Mikroriss deutlich verkleinert. Quelle: Fraunhofer Umsicht

Bereits 30 Minuten nachdem das Kunststoffbauteil mit Ionen ausgestattet wurde, hat sich der Mikroriss deutlich verkleinert.

DüsseldorfVöllig unerwartet kann es passieren: Autoreifen platzen, Dichtungsringe versagen, auch der viel geliebte Panton Chair, der freischwingende Kunststoffstuhl, wird rissig und das Material ermüdet. Ursache ist oftmals plötzliches, unvorhergesehenes Materialversagen – ausgelöst durch Mikrorisse, die in jedem Bauteil vorhanden sein können.

Diese Risse sind kaum zu erkennen. Dies gilt auch für Brüche in Bauteilen aus elastisch verformbarem Kunststoff. Dichtungsringe oder etwa Reifen bestehen aus solchen Elastomeren, die hohen mechanischen Belastungen besonders gut standhalten.

Um das Risswachstum bereits in der Anfangsphase zu unterbinden, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) in Oberhausen jetzt selbstheilende Elastomere entwickelt, die sich autonom reparieren können. Inspirationsquelle waren der Kautschukbaum Hevea brasiliensis und milchsaftführende Pflanzen wie die Birkenfeige.

Der Milchsaft enthält Kapseln, die mit dem Protein Hevein gefüllt sind. Wird der Kautschukbaum verletzt, so tritt der Milchsaft aus, die Kapseln brechen auf und setzen Hevein frei. Das Protein vernetzt dann die ebenfalls im Milchsaft enthaltenen Latexpartikel zu einem Wundverschluss.

Dieses Prinzip übertrugen die Wissenschaftler auf Elastomere. „Um in Kunststoffen einen Selbstheilungsprozess anzuregen, haben wir Mikrokapseln mit einem klebenden Material, Polyisobutylen, beladen und in Elastomere aus synthetischem Kautschuk eingebracht“, erläutert Umsicht-Forscherin Anke Nellesen. Wird Druck auf die Kapseln ausgeübt, platzen diese und sondern dabei das zähflüssige Material ab. Dieses vermischt sich mit den Polymerketten des Elastomers und verschließt so die Risse.

Noch bessere Ergebnisse erreichten die Experten jedoch, indem sie Elastomere mit Ionen ausstatteten. Auch bei dieser Methode diente der Kautschukbaum als Vorbild: Die bei einer Verletzung freigesetzten Hevein-Proteine verbinden sich durch Ionen miteinander und verkleben bei diesem Prozess – der Riss schließt sich. Wird also das Material des Elastomers beschädigt, so suchen sich die gegensätzlich geladenen Teilchen einen neuen Bindungspartner – ein Plus-Ion zieht ein Minus-Ion an und entfaltet so eine klebende Wirkung.

„Durch das Beladen der Elastomere mit Ionen sorgen wir für einen stabilen Wundverschluss. Der Heilungsprozess kann beliebig oft stattfinden“, betont Nellesen den Vorteil gegenüber dem Mikrokapsel-Verfahren. Von der neuen Entwicklung könnte unter anderem die Automobilbranche profitieren. Der Prototyp einer sich selbst reparierenden Auspuffaufhängung wollen die Fraunhofer-Forscher Anfang April auf der Hannover Messe vorstellen.

Von

tt

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