Photo getriggerte Umwandlung von Endgruppen synthetisch hergestellter Photopolymer

Dieses Projekt umfasst die profunde Erforschung von Radikal-basierten Reaktionen von synthetischen Polymeren, welche mittels photoinitiierter Verfahren hergestellt wurden. Dazu bündeln zwei Forschungsgruppen ihre komplementären Kompetenzen. Zum einen ist dies die Gruppe von Georg Gescheidt (TU Graz, zum anderen diejenige von Christopher Barner-Kowollik (Karlsruhe Institute of Technology, KIT). Das Ziel dieser Forschung ist es, ein umfassendes mechanistisches Verständnis für Reaktionen zu erlangen, die dann ablaufen, wenn synthetisch mit Hilfe von Photoinitiatoren hergestellte Polymere einer sekundären Belichtung ausgesetzt werden. Die Kenntnisse über solche Prozesse sind kaum vorhanden aber von größter Bedeutung da sie: 1) wesentlich die Umwandlung von Endgruppen und damit die Polymereigenschaften beeinflussen und 2) Wege öffnen, durch eine zweite UV-getriggerte Reaktion die Möglichkeit eröffnen, Polymere zu modifizieren. Zu diesem Zweck müssen zunächst wohldefinierte Polymere synthetisiert werden. Dies geschieht mit Hilfe von Laser induzierter Polymerisation. Die Produkte werden dann charakterisiert mit SEC ("Size Exclusion Chromatography"), welche mit Massenspektrometrie (ESI-MS) gekoppelt ist. Genaue mechanistische Einblicke erhält man durch den Einsatz von CIDNP-NMR (Chemisch-Induzierte Dynamische Kernpolarisation) sowie (zeitaufgelöster) Elektronenspin-Resonanz (EPR)-Spektroskopie. Als Ergebnis dieses Projekts erwarten wir erstmalig einen tiefliegenden Einblick in radikal-basierte Transformationen von Endgruppen in einer Serie von Photoinitiator/Monomer Systemen. Damit wollen wir die wesentlichen Prinzipien solcher Prozesse etablieren.

In unserem Alltag benutzen wir zahlreiche Materialien, welche darauf beruhen, dass eine Beschichtung mittels lichtinduzierter Verfahren aufgebracht wird. Solche Beschichtungen werden zum Beispiel als schützende Lacke aufgebracht, dienen als Grundlage photo- lithographischer Techniken für elektronische Schaltungen oder werden von Zahnärzten für Zahnfüllungen verwendet (Blaulichtlampe). Solche Materialien müssen über eine lange Zeit widerstandsfähig bleiben. Neben mechanischer und chemischer Robustheit spielt auch ihre Stabilität gegenüber Licht eine wesentliche Rolle. In unserem Projekt haben wir neue Einsichten zu den molekularen Grundlagen der Lichtbeständigkeit von Kunststoffen (Polymeren) erhalten. Die lichtinduzierten Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen beruhen darauf, dass zunächst ein lichtaktives Molekül, ein Photoinitiator, aktiviert wird und dann eine Polymerisationsreaktion auslöst. Die Fragmente des Photoinitiators werden als Endgruppen in das Polymer eingebaut. Die Rolle der Endgruppen für die Stabilität von Polymeren war bisher nicht etabliert. Mit Hilfe aufwendiger experimenteller Techniken, wie z.B. wellenlängenabhängigen gepulsten Lasertechniken, und zeitaufgelösten spektroskopischen Methoden im Nanosekundenbereich haben wir die Chemie der Endgruppenumwandlungen erforscht. Wir konnten zeigen, welche Eigenschaften diese Endgruppen aufweisen sollen, um möglichst lichtstabile Polymere zu bilden. In diesem Zusammenhang haben wir nachgewiesen, dass die Reaktivität der Endgruppen und der Initiatoren selbst bei unerwartet langen Wellenlängen hoch sein kann. Dieses Verhalten ist zu einem bedeutenden Anteil auf eine hohe Durchdringungstiefe von langwelligem Licht zurückzuführen. Insgesamt hat unsere Forschungsarbeit gezeigt, welches die molekularen Grundlagen für langzeitstabile Kunststoffbeschichtungen sind.