Maßgeschneiderte Kunststoffe: Polymeranalytik als Treiber

Von wegen billiges Plastik: Einige Hightech-Kunststoffe leiten Strom, andere speichern Informationen oder sind belastbar wie Stahl. Die außergewöhnlichen Eigenschaften verdanken sie ihrer molekularen Struktur und dem Zusatz von Additiven. Die moderne Analytik macht die Entwicklung von derart leistungsfähigen Polymermaterialien überhaupt erst möglich.

Die Eigenschaften eines Kunststoffs hängen maßgeblich von seiner inneren Struktur ab: Wie sind die Monomere in der Polymerkette angeordnet? Liegen die Ketten als geordnete Fäden vor oder eher wie ein Berg Spaghetti? Gibt es Quervernetzungen? Lagern sich kleinere Agglomerate zu größeren zusammen? Die IR- und NMR-Spektroskopie sowie weitere polymeranalytische Methoden – von Röntgentechniken bis zur Dipolmomentmessung – beantworten diese und viele weitere Fragen. Damit sind sie unerlässliche Werkzeuge in der Entwicklung neuer Kunststoffe. Vor allem bei Hightech-Polymeren, die als optische Datenspeicher, in Displays und technischen Bauteilen oder als leitfähige Tinten in der gedruckten Elektronik zum Einsatz kommen sollen, ist die genaue Kenntnis des molekularen Aufbaus entscheidend.

Doch nicht nur auf das Polymer selbst kommt es an. Ohne Additive wären nahezu alle Kunststoffe unbrauchbar. Stabilisatoren, Flammschutzmittel, UV-Absorber, Weichmacher und viele andere Zusätze machen die Polymere anwendungstauglich. Außerdem erleichtern sie deren Verarbeitung. Rund zehn Zusätze enthält ein gängiger Kunststoff. Ständig entwickeln Materialforscher neue Additive oder testen neue Mischungen.

Nicht immer jedoch erfüllt der Additiv-Mix seinen Zweck. Durch Wechselwirkungen der Zusatzstoffe untereinander oder mit dem Polymer selbst kann es zu unerwünschten Effekten wie Verfärbungen, unangenehmen Gerüchen oder einem Stabilitätsverlust kommen. Mit Methoden der Spektroskopie, Chromatographie, Massenspektrometrie und hochauflösenden Mikroskopie entschlüsseln Polymeranalytiker die Ursache des Problems. Besonders hilfreich sind dabei Imaging-Verfahren, die zugleich molekulare Informationen liefern. Die bildgebende Massenspektrometrie etwa macht Materialfehler, zum Beispiel Ausblühungen von Additiven, sichtbar und analysiert parallel deren chemische Zusammensetzung. Dank der ausgefeilten Analytik lassen sich die Mängel beheben und noch leistungsfähigere Kunststoffe entwickeln.