Paradigmenwechsel: Herstellung makroporöser Hochleistungspolymere

Hochporöse, geschlossen und offen porige Polymere mit geringer Dichte sind attraktive Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen. Solche makroporösen Polymere können nicht nur mit Hilfe von chemischen und physikalischen Treibmitteln oder durch das Herauslösen eines Salztemplates hergestellt werden sondern auch durch die Polymerisation von Emulsionstemplaten synthetisiert werden. Dieses Verfahren wurde erstmals 1962 erwähnt. Die Polymersation von Emulsionstemplaten ist mittlerweile eine etablierte Methode zu Herstellungvon makroporösenPolymeren.Normallerweise werden hierzu hochkonzentrierte Wasser-in-Öl Emulsionen, sogenannte HIPEs und MIPEs, mit einer kontinuierlichen, organischen Monomerphase verwendet, die von Tensiden und/oder Partikeln stabilisiert werden. Die resultierenden, typischerweise offen porigen, hochporösen Polymere werden poly(merisierte)H/MIPEs genannt. Die Porenstruktur der PolyH/MIPEs sowie ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften können innerhalb eines großen Bereichs eingestellt werden. Diese porösen Polymere können Porositäten von bis zu 99 % aufweisen. Allerdings, konnten für polyH/MIPEs nur sehr wenige Anwendungen gefunden werden, weil diese auf Grund ihrer Zusammensetzung extrem spröde sind. In den letzten zehn Jahren wurde viel Zeit in die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von polyH/MIPEs investiert;die mechanischenEigenschaften konnten durch particle reinforcement, die Erhöhung der Schaumdichte, oder durch die Verwendung besser geeigneterMonomereundPolymerisationmethoden verbessertwerden. Da die Polymerisation in Emulsionstemplaten jedoch, von sehr wenigen Ausnahmen abgesehen, vor allem auf radikalische Polymerisationen beschränkt ist, bleibt auch die Auswahl der für die Synthese von makroporösen Polymeren zur Verfügung stehenden Monomeren auf Styrol und Styrolderivate und Acrylate beschränkt. Es ist unsereHypothese, dass nicht-wässrigeEmulsionstemplate, die eine temperaturbeständige, chemisch inerte dispergierte Phase besitzen, es erlauben werden, andere Monomere als die typischen Vinylmonomeren und damit unterschiedliche Polymerisationsmethoden zu nutzen, um neue makroporöse Polymere zu produzieren, die die vorteilhaftenEigenschaften ihrer nicht porösen Spezialitäts- und Hochleistungpolymergegenstücke besitzen. Somit wäre man nach 50 Jahren Forschung endlich in der Lage makroporöse Polymere mit maßgeschneiderten chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen, die nicht nur das Potenzial haben, verwendet zu werden, sondern auch Anwendungen finden werden. Basierend auf dieser Hypothese ist es unser Ziel hochporöse, geschlossenen und offen porige Spezial-und Hochleistungspolymere zu synthetisieren, wobei wir uns auf typische Vertreter der Duroplaste (Epoxidharze) und Thermoplaste (Poly(acrylester, Polyimide und Poly(ethylenterephthalat) konzentrieren werden.

Poröse Polymere sind sehr vielseitig einsetzbar, als Filter, Separatoren in Batterien, als Gerüst für Gewebezüchtung oder als Ersatz von Metallteilen in Flugzeugen und Autos. Ein besonderes Merkmal von porösen Materialien ist, dass sie aus vielen Löchern bestehen, die auch Poren genannt werden. Durch Veränderung des Verhältnisses von Hohlraumvolumen zu Polymermaterial und durch Steuerung von Porengröße und -struktur, ist es möglich, die Eigenschaften eines porösen Materials signifikant zu beeinflussen. Jedes Polymersystem hat seine Charakteristika, vorteilhafte wie nachteilhafte, was mechanische, thermische und chemische Stabilität oder Leitfähigkeit betrifft zum Beispiel, und verhält sich deshalb unterschiedlich bei gewissen Bedingungen. Dies impliziert, dass die Verarbeitung die Herstellung von porösen Materialien von System zu System unterschiedlich ist und deshalb nicht ohne weiteres verallgemeinert werden kann. Um das volle Potential von porösen Polymeren ausschöpfen zu können, ist es deshalb äußert wichtig, die Einschränkungen von gängigen etablierten Herstellungsverfahren zu erforschen und deren Grenzen auszuloten.Die Polymere Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherketonketon (PEKK) sind bekannt für ihre exzellenten mechanischen Eigenschaften in Verbindungen mit einer sehr hohen Arbeitstemperatur. Die Verarbeitung zu Polymerschäumen ist jedoch äußert schwierig. Mittels thermisch induzierter Phasenseparation, welche auf der temperaturabhängigen Löslichkeit von Polymeren in passenden Lösungsmitteln basiert, war es möglich PEEK- und PEKK- Schäume mit Porositäten bis zu 90% und eindeutig definierter Porenstruktur herzustellen. Ein weiteres Verfahren zur Produktion von porösen Polymeren ist die Polymerisation umgekehrter Emulsionen (engl. Emulsion Templating), welches die Herstellung von porösen Materialien mit exakter Form und maßgeschneiderten Eigenschaften erlaubt. In der Vergangenheit wurde Emulsion Templating ausgiebig aber vorwiegend nur zur Synthese von Polymeren durch Polymerisation der kontinuierlichen Phase von Wasser-in-Divinylbenzol/Styrol oder Acrylaten verwendet. Durch die Herstellung von porösen Epoxiden, Vertreter einer Klasse von Polymeren, welche durch Polyaddition aushärten, mit bis zu 60% Hohlraumanteil unter Verwendung dieser Methode, konnten wir erfolgreich zeigen, dass Emulsion Templating auf eine größere Auswahl von Polymeren angewandt werden kann. Zusätzlich haben wir ein schnelles, sauberes und unkompliziertes Verfahren zur Herstellung von porösen Epoxidschäumen entwickelt Solid Epoxy Foaming welches auf Feststoffen als Ausgangsmaterialien basiert.