Festkörpermechanik von polymeren thermoplastischen Elastomeren Modellsystemen optimiert durch den Einsatz von komplexen, anionisch synthetisierten Topologien

• Antragsteller: Professor Dr. Valerian Hirschberg
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529315409

Thermoplastische Elastomere (TPE) vereinen die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren mit der einfachen Verarbeitbarkeit von Thermoplasten, indem chemisches durch physikalisches Vernetzen über eine lokale Phasenseparation von Blockcopolymeren ersetzt wird. Im Vergleich zu Kautschuk bietet dies die sehr vorteilhafte Möglichkeit des Recyclings durch Auflösen oder Aufschmelzen, wodurch sich ein großes Potenzial der TPE als nachhaltiger Kautschukersatz ergibt und neue Anwendungen wie im 3D Druck ermöglicht. Herkömmliche TPE sind meist Triblockcopolymere aus Styrol (S)/Butadien (B) oder S/Isopren (I) als SBS oder SIS, z.B. im kommerziellen Produkt Kraton®. Blockcopolymere phasenseparieren aufgrund von abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den beiden Monomeren A und B, beschrieben durch den Flory-Huggins-Wechselwirkungsparameter χ. Je nach A/B Volumenanteil ϕA,B bilden sich lamellare, zylindrische, gyroidale oder kugelförmige Morphologien aus. Mechanische Eigenschaften hängen von der Morphologie und der polymeren Topologie ab. Verglichen mit SIS konnte bei kammartigen PS-g-PI Pfropfcopolymeren die Zugfestigkeit (σUTS) drastisch erhöht und die Plastizität verringert werden. In Vorarbeiten wurden PS/PI TPE mit pom-pom- und Stacheldraht-Topologie mittels anionischer Polymerisation und grafting-onto synthetisiert. Für die pom-pom-Topologie werden zwei Sterne mit PS-b-PI Armen über ein PS Rückgrat miteinander verknüpft. Die Stacheldraht-Topologie hat mehr als zwei Sterne mit PS-b-PI Armen entlang eines PS Rückgrats. Diese sind sehr schlagzäh und zeigen eine extreme Dehnverfestigung, d.h. die Spannung steigt bei großen Dehnungen drastisch an. Der pom-pom PS/PI TPE mit der höchsten Dehnverfestigung erreichte σUTS ≈ 30 MPa bei hoher Bruchdehnung und übertraf den maximalen Literaturwert von σUTS ≈ 20 MPa um ~ 50 %, was die Wichtigkeit der Polymertopologie unterstreicht. Ziel dieses Antrags ist es, molekulare und mechanischen Eigenschaften miteinander zu korrelieren, um die nächste Generation TPE mit hoher Zugfestigkeit und Elastizität sowie niedriger Plastizität zu entwickeln. Auf molekularer Ebene können durch Verwendung spezieller Topologien, hohem Tg,hart und Monomerpaaren mit hohem χ die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes eingestellt werden. Erstens soll mit neuen, einfachen Synthesewegen der Einfluss der Topologie auf die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften von PS/PI TPE im Detail untersucht werden. Zweitens soll die Möglichkeit des Einsatzes geringer Mengen verzweigter Topologien als Additiv zu linearem SIS untersucht werden um mechanische Eigenschaften von Rezyklaten zu verbessern. Drittens ermöglicht ein höherer Tg,hart eine höhere maximale Anwendungstemperatur und verbessert die Dehnverhärtung, sodass hoch Tg,hart, hoch χ TPE entwickelt werden sollen. Zusammengefasst ist das Ziel dieses Antrags die molekulare Topologie und Morphologie systematisch zu optimieren um verbesserte mechanische Eigenschaften im Festkörper zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen