Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.

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Produktkategorie: Wissenschaft und Beratung

Polymere Netzwerke: Struktur, Theorie und Anwendung

Durch Vernetzungsprozesse werden Formstabilität und Festkörpereigenschaften, wie reversibles Deformations- und Quellungsverhalten, auf weiche Polymermaterialien übertragen.

Im Zusammenspiel mit strukturierenden Präparations- oder Selbstorganisationsprozessen werden Vernetzungsprozesse beispielsweise für die Stabilisierung von nanostrukturierten Materialien, zur Steuerung der Eigenschaften von Kompositmaterialien oder zur Erzeugung von Trägermaterialien in biologisch aktiven Systemen eingesetzt. Gequollene polymere Netzwerke (Gele) erlangen insbesondere für biomedizinische Anwendungen sowie bei Smart Materials für die Aktorik, Sensorik und Mikrofluidik/Mikrosystemtechnik eine zunehmende Bedeutung. Als Konstruktionswerkstoffe, unter anderem für energieeffiziente Leichtbau- und Mobilitätstechnologien, sind vernetzte Polymere in Form von elastomeren Werkstoffen und Werkstoffverbunden unverzichtbar.

Die Arbeiten zu polymeren Netzwerken am IPF zielen auf den Abbau von bestehenden Defiziten im Verständnis der Beziehungen zwischen molekularer und übermolekularer Struktur, der Topologie und den Eigenschaften in vernetzten Polymersystemen, vor allem solchen, die unter geometrischen Einschränkungen (z.B. Polymerfilme) oder in selbstorganisierten, mehrkomponentigen Polymersystemen gebildet werden. Über die Erarbeitung theoretischer und analytischer Modelle werden Grundlagen für neue Funktions- und Konstruktionswerkstoffe geschaffen, diese experimentell getestet und charakterisiert und für Anwendungen entsprechend weiterentwickelt. 

-Weiterentwicklung theoretischer Modelle und Simulationsverfahren für vernetzte Polymere
-Computersimulationen gestatten es Vernetzungsprozesse und Netzwerkstrukturen auf molekularer Ebene zu beobachten und unser theoretisches Verständnis thermodynamischer und dynamischer Eigenschaften zu verbessern
-Entwicklung physikalisch einheitlicher theoretischer Grundlagen zum Struktur-Eigenschaftsbild von Funktions- und Hochleistungselastomeren unter besonderer Beachtung von Formänderungsprozessen
-Erzeugung von Netzwerken und Gelen mit funktionalen Eigenschaften
-Entwicklung sowie physikalische und anwendungsgerechte technologische Charakterisierung neuartiger elastomerer Komposite für Anwendungen in energieeffizienten Mobilitätstechnologien

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Produktkategorie: Wissenschaft und Beratung

Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersystem

Hochintegrierte neue Technologien, z.B. im Bereich der Kommunikation, im Transportwesen, in der Medizin, in der Mikroelektronik und in der Mikrosystemtechnik, sowie für die effektive Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Energie, erfordern Materialien mit neuartigen, genau definierten Eigenschaften und optimal angepassten Funktionalitäten. Polymere besitzen hierfür ein hohes Potential, da sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen maßschneidern lassen und auch selbst Funktionen übernehmen können.

Die Forschungsarbeiten am IPF sind darauf ausgerichtet, dieses Potential durch die Entwicklung von Funktionspolymeren und nanostrukturierten (Hybrid-)Materialien zu erschließen. Sie zielen auf die exakte Einstellung der Architektur, Funktionalität, Selbstorganisation und Nanostruktur von Polymeren über neue und verbesserte Synthesestrategien und die Steuerung der physikalischen Wechselwirkungen und Grenzflächeneigenschaften. Erreicht werden soll ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen chemischer Struktur bzw. Architektur, der Nanostruktur und den makroskopischen, mesoskopischen und nanoskopischen Materialeigenschaften.

Für eine Funktionsintegration wird sichergestellt, dass die Materialien reproduzierbar, langzeitstabil in ihrer Funktion, umweltverträglich und kostengünstig in der gewünschten Funktionalität und Morphologie in hochintegrierte Bauteile und in komplexe Materialverbunde eingebaut werden können. Zur Nutzung von einzelnen Makromolekülen bzw. Polymerketten als nanoskalige Funktionselemente wird neben der genauen Anpassung der Chemie und Architektur der Polymermoleküle eine exakte Steuerung der Positionierung und Manipulation der Einzelmoleküle auf nanoskopischer Ebene sowie die Integration dieser Nanoelemente in makroskopische Systeme und Bauteile gewährleistet. Für die dazugehörige chemische und strukturelle Analyse auf nanoskopischer Ebene werden modernste Charakterisierungs­techniken genutzt.

-Entwicklung von neuen Synthesestrategien und Anwendung verschiedener Methoden der Grenzflächenchemie zur Darstellung von maßgeschneiderten funktionalen und nanostrukturierten Polymersystemen
-Studium der physikalischen Wechselwirkungen und Prozesse von nanostrukturierten Polymersystemen an Grenzflächen (inkl. Modellierung strukturbildender Polymersysteme; theoretische Analyse)
-Reproduzierbare und strukturierte Nanotemplate für Anwendungen in Nanoelektronik, Energie- und Umwelttechnik und hochintegrierter Mikrosystem­technik
-Mikro- und nanostrukturierten responsiven Funktionsschichten für Smart Systems
-Erzeugung technisch relevanter Funktionsschichten durch gezielte Steuerung der Nanostruktur und der Grenzflächenchemie und -funktionalität der Polymere

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Produktkategorie: Wissenschaft und Beratung

Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

Mit dem Erkenntnisgewinn der molekularen Lebenswissenschaften, insbesondere auf den Gebieten der Zellbiologie, Genetik, Entwicklungs- und Systembiologie stehen der Polymer­forschung heute Möglichkeiten für die Biologie-inspirierte Gestaltung funktioneller Materialien zur Verfügung, die an das archaische Prinzip des Lernens von der Natur anknüpfen, jedoch durch die Nutzung molekularer Funktionseinheiten bisher unerreichte Materialcharakteristika in synthetischen Systemen nachempfinden und – darüber hinaus gehend – im Kontext des jungen Gebiets der synthetischen Biologie, völlig neue Eigenschaftskombinationen schaffen lassen. Die resultierenden Entwicklungen liefern Lösungsansätze für zentrale Heraus­forderungen der globalen Gesellschaft der Zukunft wie Nachhaltigkeit und Gesundheit.

Eingebunden in das Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien Dresden (gemeinsame Initiative des IPF mit dem Institut für Werkstoffwissenschaft der Technischen Universität Dresden), in enger Kooperation mit dem Zentrum für Regenerative Therapien Dresden und verzahnt mit dem Innovationszentrum für Molecular Bioengineering B CUBE werden die Kompetenzen und Möglichkeiten des Instituts auf den Gebieten der Theorie, Synthese, Grenzflächengestaltung und Verarbeitung von Polymeren für innovative, Biologie-inspirierte Werkstoffentwicklungen genutzt.

Zum einen geht es dabei um die Entwicklung innovativer Technologien für die Medizin­technik, z. B. für Organersatzsysteme, In-vitro-Expansions- und Differenzierungsverfahren für Stammzellen und regenerative Therapien. Zum anderen zielt die Forschung auf die Implementierung molekularer Funktionen der belebten Natur (z.B. Adaptionsfähigkeit/­Selbst­heilung, Steuerung von Bioadhäsionsphänomenen) in Materialien für nichtmedizinische Technologien sowie die Systemintegration biomimetischer Materialien für Anwendungen in Sensorik, Informationstechnologien, Leichtbau und Oberflächentechnik.

-Aufklärung von Wechselwirkungsprozessen an Materialgrenzflächen im Kontakt mit Biosystemen durch komplementäre analytische Techniken sowie Theorie und Simulation
-Entwicklung bioaktiver Polymerfunktionsschichten unter Nutzung von Strukturierungs- und Bioaffinitätsmethoden sowie funktionelle Rekonstitution biomolekularer Assemblate
-Gestaltung multi(bio-)funktioneller Polymermatrices auf Basis biomimetischer und bioanaloger Moleküle, mit Hilfe von Selbstorganisations- und Adaptionsprinzipien
-Adaption von Ansätzen der chemischen Biologie und der Bionanotechnologie für neue Biomaterialkonzepte, auch für nichtmedizinische Anwendungsfelder

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Produktkategorie: Wissenschaft und Beratung

Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Die enge Verknüpfung von naturwissenschaftlicher und ingenieurwissenschaftlicher Kompetenz am IPF bietet hervorragende Voraussetzungen für die Entwicklung von polymeren Funktions- und Mehrkomponentenwerkstoffen für Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau sowie die dazugehörigen Verarbeitungstechnologien. Durch komplexe Herangehensweisen und enge Abstimmung werkstofftechnischer, naturwissenschaftlich geprägter und prozesstechnischer Schnittstellen – vom Molekül bis zum Werkstoff am komplexen Bauteil – werden Innovationen besonders für die Energie- und Umwelttechnik sowie für Leichtbautechnologien geschaffen.

Ein am IPF verfolgter, sehr praxisnaher Ansatz ist es, für die Optimierung und maßgeschneiderte Anpassung von Materialeigenschaften Strukturbildungsprozesse direkt im Werkstoffherstellungsprozess zu nutzen. Erforscht und umgesetzt wird das z. B. für reaktive Spritzgussverfahren bei Thermoplasten, reaktive Mischverfahren bei Elastomeren, Modifizierungstechnologien mittels Energieeintrag über Elektronen während der Verarbeitung, für chemisch initiierte Exfolierungsstrategien bei polymeren Nanokompositen, und für gezielte Strukturbildung, Stabilisierung und Lokalisierung von Nanofüllstoffen in mehrphasigen Polymerblends oder Polymerverbundwerkstoffen.

Die wissenschaftlichen Herausforderungen erstrecken sich dabei von neuen verfahrenstechnischen Ansätzen, über neue werkstoffliche Konzepte unter Einbeziehung multifunktionstragender Nanofüllstoffe, anzupassende Charakterisierungsmethoden - zum Beispiel zur lokalen Struktur- und Orientierungsbestimmung, zur Analyse topographisch komplexer Oberfläche und zur Charakterisierung innerer Grenzflächen - bis hin zu neuen angepassten physikalischen Modellen, u.a. zu polymervermittelten Füllstoff­wechsel­wirkungen.

-Steuerung, Charakterisierung und Modellierung der Strukturbildungsprozesse und der Werkstoffeigenschaften bei der reaktiven Verarbeitung von multifunktionalen Polymer- und Elastomerwerkstoffen
-Design von Grenzflächen in Multikomponenten- und Multifunktions-Verbundwerkstoffen sowie deren struktur- und bruchmechanische Charakterisierung
-Entwicklung neuer Verarbeitungstechnologien durch Kombination mit der Elektronenbestrahlung, durch grenzflächenreaktives Spritzgießen und durch Schmelzspinnen von neuartigen bikomponentigen Multifunktionsgarnen
-Online-Analytik bei der Prozessführung zu nanostrukturierten Polymerwerkstoffsystemen

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19.09.2016

Pulverlackfilme als reaktive Adhäsivschicht für das spritzgießtechnische Fügen von Metall-Kunststoff-Hybriden

Am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) wurden Katalysatoren für Polyurethan-Pulverlacke entwickelt, die nicht nur zu niedrigtemperaturvernetzenden hochflexiblen Pulverlacken führten, sondern deren Härtung außerdem nach einem zweistufigen Reaktionsmechanismus abläuft: Bei Einbrenntemperaturen <150°C wird ein selektives Polyallophanatnetzwerk gebildet, das bei Temperaturen >170°C komplett in ein Polyurethannetzwerk umgewandelt werden kann. Diese zweite Vernetzungsstufe wurde am IPF Dresden jetzt für die Entwicklung von Metall-Kunststoff-Hybridmaterialien verwendet, bei denen der Kunststoff über Spritzgießen chemisch reaktiv an die Oberfläche des vorbeschichteten Substratmaterials angebunden wird. Auf diese Weise können auch ohne unterstützende konstruktive Maßnahmen im Bauteil (z. B. Hinterschneidungen für Formschluss) sehr hohe Haftfestigkeiten zu Thermoplastischem Polyurethan (TPU) generiert werden. In einem von der AIF geförderten interdisziplinären und internationalen Cornet-Vorhaben (PreFiHy 122EBR) wurden sowohl die Adhäsivschicht, die Substratvorbehandlung als auch der Spritzgießprozess in Kooperation mit einem weiteren deutschen Forschungsinstitut (IWU Fraunhofer-Institut für Werkstoffmaschinen und Umformtechnik) und zwei belgischen Forschungseinrichtungen (Centre de Recherche Métallurgique, CRM und Centre collectif de l'industrie technologique, SIRRIS) für die Erfordernisse von Aluminiumlegierungen weiterentwickelt und optimiert.
Die Ergebnisse bilden die Grundlage für kurze Prozessketten mit Ressourcen-, Kosten- und energieeffizienter Produktion von Multimaterial-Hybrid Bauteilen, wie sie vor allem in der Fahrzeugindustrie zunehmend Verwendung finden.

Kontakt:
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)
Dr. Michaela Gedan-Smolka mgedan@ipfdd.de (Materialentwicklung Adhäsivschichtsystem)
Dr. Ines Kühnert kuehnert@ipfdd.de (Entwicklung Fügetechnologie und Prüfstrategie)

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Über uns

Firmenporträt

Das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) betreibt ganzheitliche Polymermaterialforschung von der Synthese und Modifizierung polymerer Materialien, über die Charakterisierung, theoretische Durchdringung bis hin zur Verarbeitung und Prüfung. Charakteristisch für die Arbeiten am IPF ist ein enges Zusammenwirken von Natur- und Ingenieurwissenschaftlern, denen eine umfangreiche gerätetechnische Ausstattung bis hin zu Kleintechnika für Werkstoff- und Technologieentwicklungen unter industrienahen Bedingungen zur Verfügung steht. Schwerpunktmäßig werden Materialfragestellungen aus der realen Anwendung aufgegriffen, die über gezielte Steuerung der Grenzflächeneigenschaften bzw. der Wechselwirkungen an der Grenz- und Oberfläche gelöst werden können. Ziel ist das Erlangen eines tiefgehenden wissenschaftlichen Verständnisses der notwendigen Techniken und Prozesse sowie der zugrunde liegenden physikalischen Aspekte, um auf dieser Basis langfristig tragfähige Konzepte für eine technische Realisierung und Anwendungen, z. B. in Automobilindustrie, Elektronik, Verpackung, Optik oder Medizin zu entwickeln.

Es werden – nicht selten in Kooperation mit Partnern aus der Industrie - neue, multifunktionale polymere Funktions- und Konstruktionswerkstoffe,  Biomaterialien und Verbundwerkstoffe sowie die dazugehörigen Technologien entwickelt. Dies ermöglicht Innovationen in vielen Bereichen, so z.B. extremen Leichtbau mit Faserverbunden, effiziente Kunstverarbeitungs- und Oberflächenveredlungstechnologien oder optimierte Gummiwerkstoffe/Autoreifen und fließt ein in alternative Methoden der Energiegewinnung und -speicherung, organische Elektronik, Smart Systems mit Echtzeitsensorik und Selbstüberwachungsfunktionen sowie neue diagnostische Systeme und regenerative Therapien in der Medizin.

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