Reaktionskalorimeter mit FTIR-spektroskopischer in-situ Messmethode
Final Report Abstract
Das computergesteuerte Reaktionskalorimeter mit Inline-spektroskopischer Reaktionskontrolle dient für die Forschung und Etablierung der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. A. Kandelbauer im Bereich Synthesechemie: Prozessanalytik, Thermochemie und Reaktionstechnik und hat sich als notwendige und sinnvolle Ergänzung des bestehenden Geräteparks im Bereich Prozessanalytik erwiesen. Dieses vollautomatische, computergesteuerte Reaktorsystem wurde zur online Verfolgung des Wärmeflusses bei chemischen Reaktionen und zur simultanen Aufzeichnung von Infrarotspektren in Echtzeit während dieser Reaktionen verwendet. Es wurde im Forschungsgebäude des Lehr- und Forschungszentrums (LFZ) Process Analysis and Technology (PAT) der Hochschule Reutlingen untergebracht und in mehreren öffentlich geförderten Kooperationsprojekten gemeinsam mit Kollegen an der Hochschule genutzt. Dabei kam das System im Berichtszeitraum bei einer Reihe unterschiedlicher chemischer Systeme zum Einsatz. Haupteinsatzgebiet des Gerätes war die Mehrschritt-Synthese neuartiger Polymersysteme im Rahmen der Entwicklung von Biomaterialien, biostabilen Materialien und Implantatwerkstoffen. Hauptzweck war es, mittels inline Analytik in Echtzeit thermochemische und strukturelle Informationen zum Reaktionsfortschritt und quantitativ auswertbare kinetische Daten zu bekommen. Dazu wurde neben Kalorimetrie v. a. die Infrarotspektroskopie und die durch den Viskositätsanstieg während der Polymerisation verursachte Zunahme des Drehmoments des Rührwerks verwendet. Die Inline-Reaktionsverfolgung wurde vor allem bei der Entwicklung neuartiger Polymersysteme für den Einsatz als akkommodierbare Intraokularlinsen eingesetzt. Weiche, thermoplastische Polysiloxan-Harnstoff (Polysiloxane-Urea, PSU) Elastomere wurden dabei über systematische Syntheseentwicklung hergestellt. Über Analyse der inline gewonnenen Reaktionsdaten gelang es, Materialien zu entwickeln, die hochtransparent und von geeigneten mechanischen Eigenschaften waren und dabei keinerlei toxische Nebenwirkungen aufwiesen. Das Forschungsgroßgerät leistete auch einen wesentlichen Beitrag in der Entwicklung von langzeitstabilen Implantaten für den Einsatz als Knorpelersatz (Meniskusersatz) in Kniegelenken. Durch das Studium der Reaktionsdynamik gelang es, neue weiche, TPCU- und TSiPCU-basierte Elastomere herzustellen, die viel versprechende Eigenschaften hinsichtlich ihrer langfristigen Bioverträglichkeit aufweisen. Durch Einsatz des Reaktionskalorimeters gelang es dabei insbesondere, die Segmentlängen und die Segmentverteilung von Weich- und Hartsegment in der Polymerkette gezielt einzustellen. Das Material konnte durch reproduzierbare sequentielle Synthesen auch in größerem Maßstab mit konstantem Eigenschaftsprofil hergestellt und zu Modellmenisken weiterverarbeitet werden, deren Bioverträglichkeit bestimmt wurde. In kleinerem Umfang wurde der automatische Laborreaktor bisher auch in der Herstellung von funktionalisierten Monomeren für selbstheilende Duroplast-Matrixsysteme verwendet. Hier wurde Melamin als Grundbaustein mit einer thermisch reversibel vernetzbaren Funktionalisierung ausgestattet, die anschließend in einem separaten Schritt zu einem modifizierten Melaminharz mit reversibel vernetzbaren Eigenschaften kondensiert werden können. Ein neues Forschungsfeld wurde im Sommer 2017 im Bereich der Mikro- und Nanopartikelsynthese eröffnet. Schwerpunkt ist dabei die Reproduzierbarkeit und Optimierung der Synthese von Silica-basierten Mikropartikeln mithilfe des vollautomatischen RC-1 Systems. Dabei steht das Reaction Engineering im Chemiereaktor im Rahmen eines Promotionsstipendiums im Vordergrund. Es sollen dabei die empfindlichen Abhängigkeiten von Partikelgröße, Partikelmorphologie und Partikeloberflächeneigenschaften von den Reaktionsbedingungen tiefer durchdrungen und in Form von Reaktionsmodellen beschrieben werden. Auf diesem Gebiet wird voraussichtlich mit Ende 2018 ein weiteres Forschungsprojekt starten, in dem auf Basis des RC1-Systems die Synthese von neuen Silica-Partikeln im µm-Bereich und deren Oberflächenmodifikation zur Herstellung hochspezifischer stationärer Phasen für chromatographische Trennsäulen in der Pharmazie systematisch entwickelt, optimiert und auf den präparativen Maßstab hochskaliert wird. Das Gerät wird künftig darüber hinaus in der Entwicklung von EP(D)M-basierten Elastomersystemen für Dichtungsmembranen in Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Publications
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Kutuzova L, Shui Y, Koslik R, Zhang C, Lorenz G
(See online at https://doi.org/10.1515/bnm-2016-1001 urn:nbn:de:bsz:rt2-opus4-13787) - (2016) Thermoplastic polyurethane elastomers for potential biomedical use: Synthesis of α,ω-di (hydroxy) polyisobutylene as macrodiol for the preparation of polyurethanes. BioNanoMat- 2016, 17, S(1) P53
Maurus MA, Kitaeva L, Liu C, Maier T, Schramm W, Lorenz G
(See online at https://doi.org/10.1515/bnm-2016-1001) - (2017) Biostable polyurethane materials for chondral implants: in-situ monitoring of polyurethane polymerization. Biomed. Eng. – Biomed. Tech. 62(s2):S168
Kutuzova L, Rain O, Koslik R, Lorenz G, Kandelbauer A
(See online at https://doi.org/10.1515/bmt-2017-6016) - (2018) Influence of PDMS molecular weight on transpareny and mechanical properties of soft polysiloxaneurea-elastomers for intraocular lens application. European Polymer Journal
Riehle N, Thude S, Götz T, Kandelbauer A, Thanos S, Tovar GEM, Lorenz G
(See online at https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.02.29)
