Funktionalisierte Kunststoffe, Bauteile und Oberflächen

Die herausragenden Eigenschaften von Kunststoff wie z.B. ihr – auf das Gewicht bezogen – unschlagbar gutes mechanisches Verhalten und ihr ausgeprägtes Filmbildungsvermögen lassen sie in unserer von Technik, Innovation und zunehmend Überlegungen zur Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit geprägten Welt in immer neue Anwendungsfelder vordringen. Im Zuge dessen kommen Forderungen nach vielen zusätzlichen Eigenschaften auf, die bisher im klassischen Kunststoff nicht verankert waren. Als Beispiele seien elektrische und thermische Leitfähigkeiten, nichtlinear-optische Eigenschaften, magnetische Adressierbarkeit, die Fähigkeit zur Umwandlung von elektrischer Energie in Licht sowie umgekehrt von Licht in elektrische Energie genannt. Weiterhin werden sensorische und aktuatorische Funktionen angestrebt sowie die Fähigkeit zur Selbstheilung. An Oberflächen werden Anforderungen wie Selbstreinigung, antistatisches Verhalten, bestimmtes Adhäsionsverhalten sowie möglichst die Schaltbarkeit aller dieser Eigenschaften angestrebt. Bei alledem wird oft implizit vorausgesetzt, dass sich die ansonsten vom Kunststoff bekannten und geschätzten Eigenschaften nicht verschlechtern. Weit ist man noch davon entfernt, dies in der Breite als Realität zu bezeichnen, aber einige faszinierende Erfolge können bereits verzeichnet werden. Diese belegen, was bei entsprechendem Einsatz in Forschung und Entwicklung noch alles möglich ist.

Die Versuche, den gesamten Kunststoff eines Bauteils oder auch nur selektiv seine Oberfläche in der gewünschten Weise zu funktionalisieren, folgen ganz überwiegend zwei Strategien: Zum einen kann man Funktionalität in oder auf einem Bauteil realisieren, indem man dem Kunststoff funktionale Additive und Füllstoffe beimischt. So lässt sich beispielsweise isotrope wie anisotrope elektrische, in einigen Fällen sogar thermische Leitfähigkeit dadurch erreichen, dass man Leitruße, Carbon-Nanotubes oder – neuerdings stark beforscht – Graphene in den Kunststoff einarbeitet. Gibt man dem Füllstoff durch geeignete Verarbeitung die Möglichkeit, sich zu geschlossenen Leitungspfaden (Perkolationspfaden) zu verbinden, kann über diese Wege ein Transport von Elektronen oder Wärme vonstatten gehen. Im anderen Extrem, zur Herstellung besonders effektiver Isolatoren, wie man sie z.B. in dünner Schicht für elektronische Bauteile sucht, möchte man die leitfähigen Partikel gerade ohne deren wechselseitigen Kontakt in den Kunststoff einbringen. Es ist eine große Herausforderung, die Stellschrauben zu identifizieren, die im Zuge einer Kunststoff-Verarbeitung die funktionalen Füllstoffe einmal dispers verteilt vorliegen lassen und sie bei anderer Gelegenheit zur Ausbildung geschlossener Perkolationspfade für den Ladungstransport bewegen.

Auf einer analogen Basis lassen sich auch neuartige Sensoren entwickeln: Wenn nämlich die Kunststoffe in Abhängigkeit bestimmter Umgebungsparameter die Leitungspfade mehr oder minder gut geschlossen enthalten, kann dies sehr empfindlich durch die Änderung der Leitfähigkeit ausgelesen werden. Verwandt gelagert sind Bestrebungen, in den Kunststoff magnetische Partikel beispielsweise auf der Basis von Eisenoxiden einzuarbeiten. Bei richtiger Vorgehensweise erhält man hieraus Materialien, die sich über magnetische Wechselfelder sehr effizient aufheizen lassen und auf diesen Stimulus hin weitere Prozesse, z.B. Selbstheilung oder in Formgedächtnispolymeren gespeicherte Gestaltsveränderungen, vollziehen können. Mit Partikeln, die sehr hohe Brechungsindices aufweisen, deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes (ca. 300 – 800 nm) und fein dispergiert in einem Kunststoff vorliegen, lassen sich schließlich hoch brechende Linsen herstellen, wie sie beispielsweise für Head-up-Displays im Automobil-Bereich gesucht sind.

Additive und Füller, die oberflächennah in Kunststoffe eingebracht werden und zusätzlich die Oberflächen-Topologie in der Mikro- bis Nanometerskala verändern, können in erheblichem Maße Benetzungs- und Adhäsionseigenschaften verändern. Der von der Natur realisierte Lotus-Effekt ist hierfür nur ein weithin bekanntes Beispiel. Neben der Schmutzabweisung gilt im Zuge der technisch äußerst relevanten Antifouling-Bemühungen (z.B. Verhinderung der Besiedlung von Oberflächen durch Organismen) der Beeinflussung der Zelladhäsion auf Kunststoffen immenses Augenmerk. Häufig bietet es sich an, diese Konzepte mit einer oberflächennahen antibakteriellen Ausrüstung der Kunststoffe, beispielsweise durch Silber(nano)partikel, zu unterstützen. Oberflächennahe Strukturen, die Periodizitäten im Bereich der Lichtwellenlänge zeigen, können weiterhin zur Erzeugung von Interferenzfarben dienen, was einerseits zu dekorativen Zwecken oder als Sicherheits-Labels genutzt, andererseits aber auch mit einer sensorischen Funktion (Deformation, Spannung, Quellung etc.) verknüpft werden kann.

Die zweite große Gruppe funktionalisierter Kunststoffe umfasst solche, die ihre Funktionalität als solche selbst mit sich bringen. Vor allem im Bereich der Medizin und der Elektronik haben diese neuen Polymere derzeit höchste Bedeutung. Im Bereich der Medizin werden sie z.B. als bioabbaubare Hilfs- und Werkstoffe mit programmierbarem Abbauverhalten – bei gleichzeitiger Sicherstellung eines ganzen Kollektivs zusätzlicher Funktionalitäten (Biokompatibilität, unkritischer Metabolismus, Formgedächtniseffekte, etc.) – entwickelt. Vor allem polymere aliphatische Hydroxycarbonsäuren wie die Polymilchsäure mit ihrem über den Enantiomereneinbau fein steuerbaren Kristallisationsverhalten sind sehr vielversprechend. Daneben gilt Kunststoffen mit exakt programmierbarem Wirkstoff-Freisetzungsverhalten für die Pharmazie intensive F&E-Aktivität.

Auf der anderen Seite stehen die intrinsisch leitfähigen Polymere. Diese Leitfähigkeit kann sich auf Ionen und Elektronen beziehen. Ionische Leitfähigkeit wird beispielsweise in den Membranen von Brennstoffzellen (Protonentransport, z.B. Nafion) oder Lithiumionenbatterien benötigt. Die hier verwendeten Polymere zeichnen sich durch viele sehr polare bis ionische Gruppen aus, die den wandernden Ionen kontinuierliche Pfade bieten, über die sie in einem gut stabilisierten Zustand wandern können. Die große Herausforderung hier ist vor allem die noch unzureichende Beweglichkeit der Ionen in diesen Polymermembranen, deren Langzeitstabilität und die Zuverlässigkeit der Produktionsprozesse.

Hinzu kommen die Polymere, die den Transport von Elektronen ermöglichen. Sie zeichnen sich üblicherweise durch einen Aufbau aus, der es aufgrund vieler Mehrfachbindungen im Polymergerüst den Elektronen ermöglicht, über leicht zu aktivierende Hüpfprozesse durch das Ensemble der Polymerketten zu wandern. Für große Distanzen und damit eine Leitfähigkeit ganzer Kunststoffbauteile genügt die so zu realisierende Leitfähigkeit meist nicht – abgesehen von der häufig geringen Beständigkeit dieser Kunststoffe gegen Umwelteinflüsse – in dünnen Schichten können aber erstaunliche Ergebnisse erzielt werden. So lassen sich mit diesen (halb)leitenden Polymeren Transistoren (OFETs) für elektronische Labels (RFID-Tags), logische Schaltungen oder Sensoren („elektronische Nase“) herstellen. Zeigen die Materialien zusätzlich eine hohe Absorption von sichtbarem Licht, können sie in Solarzellen Einsatz finden. Weisen sie schließlich eine hohe Elektrolumineszenz-Quantenausbeute auf, sind sie für Leuchtdioden (OLEDs) prädestiniert. Der immense Charme dieser Materialien besteht auch in ihrer leichten Verarbeitbarkeit über Druckverfahren, was die Herstellung hoher Stückzahlen zu geringen Kosten möglich macht („gedruckte organische Elektronik“).

Die große Herausforderung besteht bei allen diesen Systemen heute noch in ihrer meist noch unzureichenden Effizienz und Langzeitstabilität. Gemessen an den immensen Fortschritten, die aber in den letzten Jahren erreicht werden konnten, ist davon auszugehen, dass sich diese Schwierigkeiten überwinden lassen. Nicht wenige meinen daher, das 21. Jahrhundert wird zum Jahrhundert der „Plastikelektronik“.

Funktionalisierte Kunststoffe, Bauteile und Oberflächen - Vita Prof. Dr. Matthias Rehahn