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Forscher entwickeln elastische Polymere, die sich selbst heilen

Kunststoffbauteile, die hohe mechanische Belastungen aushalten müssen, können brechen. Eine Ursache für dieses plötzliche Materialversagen sind Mikrorisse. Um das Risswachstum zu stoppen, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht elastische Polymere entwickelt, die sich selbst heilen.

Mikrorisse können in jedem Bauteil vorhanden sein. Sie wachsen langsam oder schnell, sind jedoch 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. Trotzdem können Reifen platzen und Dichtungen versagen. Um das Risswachstum bereits in der Anfangsphase zu unterbinden und spontanes Materialversagen zu vermeiden, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht in Oberhausen jetzt im Projekt Osiris vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) selbstheilende Elastomere entwickelt, die sich autonom reparieren können.

Inspirationsquelle waren der Kautschukbaum Hevea brasiliensis und milchsaftführende Pflanzen wie die Birkenfeige, erklärt das Fraunhofer-Institut Umsicht. Der Milchsaft enthalte Kapseln, die mit dem Protein Hevein gefüllt sind. Werde der Kautschukbaum verletzt, trete der Milchsaft aus. Die Kapseln brechen auf und setzen Hevein frei, erläutert das Institut weiter. Das Protein vernetzte 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. 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", führt Dr. Anke Nellesen, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut Umsicht, aus. "Es ist uns gelungen, produktionsstabile Kapseln herzustellen, allerdings brachten diese nicht den gewünschten selbstreparierenden Effekt." Gute Ergebnisse erzielten die Forscher hingegen, indem sie die Selbstheilungskomponente, also das Polyisobutylen, unverkapselt in das Elastomer einbrachten. So zeigten verschiedene Probekörper aus unterschiedlichen synthetischen Kautschuken ein deutliches Selbstheilungsverhalten: Nach einer Heildauer von 24 Stunden betrug die wiederhergestellte Zugdehnung 40 Prozent, erklärt das Institut.

Noch bessere Ergebnisse erreichten die Wissenschaftler jedoch, indem sie Elastomere mit Ionen ausstatteten, berichtet das Institut. Auch bei dieser Methode habe der Kautschukbaum als Vorbild gedient: 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. "Duromere mit Selbstheilungsfunktion gibt es bereits. Sie kommen etwa in Form von sich selbst reparierenden Lacken im Automobilbereich zur Anwendung. Elastomere, die ihre Risse ohne Eingriff von außen verschließen können, wurden bislang noch nicht entwickelt", betont die Wissenschaftlerin.

Von der neuen Entwicklung könnte unter anderem die Automobilbranche profitieren. Der Prototyp einer sich selbst reparierenden Auspuffaufhängung (das Bild zeigt ein dreidimensionales Computermodell der geplanten Auspuffaufhängung, angefertigt von: IWF Ingenieurbüro Uwe Großmann und GKT Gummi- und Kunststofftechnik Fürstenwalde GmbH) ist auf der Hannover Messe am Biokon-Gemeinschaftsstand zu sehen.
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