Fünffache Leistungssteigerung durch sanfte Behandlung

Im Institut für Polymerforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) entwickeln die Wissenschaftler maßgeschneiderte Membranmaterialien auf Grundlage thermisch umgelagerter Polymere. Kürzlich gelang es damit den Forschern die Membranen statt bei 450 Grad Celsius bei 250 Grad herzustellen. Ein Durchbruch, denn dadurch besitzen die neuen Materialien eine fünffach höhere Wirkung bei gleichzeitig verdoppelter Syntheserate. Außerdem ist das neue Polymer für Membranen weniger spröde. Die Polymerforscher stellen ihre Arbeiten zu den neuen Materialien erstmals am 30. Juli 2016 in der Fachzeitschrift Science Advances vor.

Mithilfe von Membranen können einzelne Bestandteile aus flüssigen oder gasförmigen Stoffgemischen abgetrennt werden. Zum Beispiel lassen sich Kohlendioxid aus Verbrennungsabgasen entfernen oder Schadstoffe aus Gewässern herausfiltern. Die neuen Membranmaterialien gehören chemisch zur Stoffgruppe der Polyimide. Bestimmte organische Gruppen wandeln sich bei der Temperaturbehandlung in chemisch stabilere Formen um. Dazu der Leiter des Instituts für Polymerforschung und Co-Autor der Veröffentlichung, Prof. Dr. Volker Abetz: „Die von uns entwickelte neue Verbindung ist ideal für eine Vielzahl von zu trennenden Gasen.“

Die Schwierigkeit zuvor: Herkömmlich hergestellt, sind diese Membranen meist spröde und brechen leicht. Die HZG-Wissenschaftler veränderten daher die chemische Struktur sowie einige Herstellungsparameter, um die Bedingungen der thermischen Umlagerung zu verbessern. Durch Vorschalten einer sogenannten Claisen-Umlagerung wurde die für die thermische Umlagerung notwendige Temperatur von circa 450 Grad Celsius auf rund 250 Grad gesenkt. Gleichzeitig konnte dabei die Umlagerungsrate um 50 Prozent gegenüber der herkömmlichen Synthese gesteigert werden.

Volker Abetz: „Die neuen thermisch umgelagerten Polymere sind mechanisch und chemisch besonders stabil und zeigen eine fünffach höhere Permeabilität gegenüber konventionell thermisch hergestellten Material. Durch die niedrigeren Umlagerungstemperaturen lassen sich zudem erstmals Dünnfilmkomposit-Membranen herstellen. Das scheiterte bisher daran, dass die üblichen für die Herstellung notwendigen Trägermaterialien bei den 450 Grad der konventionellen Synthese völlig zerstört werden."

Insgesamt gewinnen die Membranen durch die neuen Generation von Polymermaterialien enorm an Attraktivität: Die niedrigeren Herstellungstemperaturen und die verbesserten Trenneigenschaften führen diese neuen Membranen erstmals in die wirtschaftliche Relevanz. Die Helmholtz-Wissenschaftler sind sich sicher, damit die Membranmaterialien von morgen auf den Weg gebracht zu haben.

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