Der Natur auf die Finger geschaut

Die Natur ist die beste Lehrmeisterin – dieses altväterliche Sprichwort findet seine Anwendung in der Bionik und der Biomimetik. Generell können wir uns von der Natur vieles abschauen und in die Produkt- und Technologieentwicklung übernehmen. Zahlreiche Förderprojekte in der Forschung zeugen davon.
Die Selbstheilung ist eines der wichtigsten Prinzipien in der Natur: Unsere Haut heilt so gut, dass man Risse, selbst tiefere Wunden nach einiger Zeit nicht mehr sehen kann. Auch die Haut der Bäume, die Rinde, ist in der Lage, Wunden zu verschließen. In der Technik sind dagegen unkaputtbare Dinge (noch) eine Erfindung der Werbung.
Polymerwerkstoffe werden heute häufig in Anwendungen mit hoher mechanischer Belastung eingesetzt. Völlig unerwartet kann es passieren: Autoreifen platzen, Dichtungsringe versagen, auch der viel geliebte Panton Chair, der freischwingende Kunststoffstuhl, wird rissig und das Material ermüdet. Alle Teile können auch unterhalb der Belastungsgrenze spontan brechen. Ursache ist oftmals unvorhergesehenes Materialversagen – ausgelöst durch Mikrorisse, die in jedem Bauteil vorhanden sein können. Diese Risse wachsen langsam oder schnell, sie sind jedoch kaum zu erkennen. Bei zyklischer Belastung erreichen sie irgendwann eine überkritische Länge die dann zum Defekt führt. Dies gilt auch für Brüche in Bauteilen aus elastisch verformbarem Kunststoff. Dichtungsringe oder beispielsweise Reifen bestehen aus solchen Elastomeren, die hohen mechanischen Belastungen besonders gut standhalten.
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, Oberhausen im BMBF-Projekt »OSIRIS« selbstheilende Elastomere entwickelt, die sich autonom reparieren können. Inspirationsquelle waren der Kautschukbaum Hevea brasiliensis und milchsaftführende Pflanzen wie die Birkenfeige. Der Milchsaft enthält Kapseln, die mit dem Protein Hevein gefüllt sind. Wird der Kautschukbaum verletzt, so tritt der Milchsaft aus, die Kapseln brechen auf und setzen Hevein frei. Das Protein vernetzt dann die ebenfalls im Milchsaft enthaltenen Latexpar-tikel 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«, erläutert Dr. Anke Nellesen, Wissenschaftlerin am Umsicht-Institut. »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.
Noch bessere Ergebnisse erreichten die Experten, indem sie Elastomere mit Ionen ausstatteten. Auch bei dieser Methode diente der Kautschukbaum als Vorbild: 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 positiv geladenes Ion zieht ein negativ geladenes 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«, sagt die Wissenschaftlerin Nellesen.
Von der neuen Entwicklung könnte unter anderem die Automobilbranche profitieren. Der Prototyp einer sich selbst reparierenden Auspuffaufhängung war auf der Hannover Messe am Biokon-Gemeinschaftsstand zu sehen.

Selbstheilende Kunststoffe –
der Trend von Morgen?

Die Forschung beschäftigt sich schon seit längerem mit selbstheilenden Materialien. So hat im April beispielsweise auch die Zeitschrift Nature von einem Polymer-Material berichtet, bei dem sich Kratzer unter Einwirkung von UV-Licht selbsttätig schließen – der Traum jeden Autofahrers und Brillenträgers. Dazu hatten schweizerische und US-amerikanische Forscher eine Beschichtung aus Kunststoff und eingelagerten Metallteilchen entwickelt.
Einen ähnlichen anwendungstechnischen Ansatz, nämlich selbstheilende PUR-Lacke findet man auf dem Server der Universität Freiburg: Hier geht es um die Synthese und die Charakterisierung von selbstheilenden Polyurethanlacken. Im Rahmen dieser Dissertation von Ende 2010 wurden verschiedene Konzepte zur Modifizierung einer Polyurethan-Lackformulierung verfolgt, um thermisch induzierte Selbstheilung zu erreichen. Axel Pfahler konnte bei seiner Arbeit sehr gute mechanische und optische Lackeigenschaften bei zugleich exzellenter Selbstheilung der Lacke durch die Integration wachsmodifizierter Polyole mit mittleren Veresterungsgraden zwischen 30 und 70 % erreichen. Durch Rekristallisation werden die ursprünglichen mechanischen und optischen Lackeigenschaften zurück gewonnen. Die Selbstheilung der Lacke findet in diesem Fall auf Basis kristalliner Nanophasen statt. Die Links zu den beiden Forschungsprojekten finden sich ebenso wie weitere Materialien und Hintergrundinfos zum Fraunhofer-Projekt im Kasten infoDIRECT.
Selbstheilende Kunststoffe sind sicher auch deshalb einer der Schwerpunkte der Materialforschung, weil durch die Vermeidung des Bauteilversagens nicht nur Sicherheit gewonnen wird. Es würden etliche Kunststoffprodukte länger gebrauchsfähig sein. Die Technologie könnte also einen großen Beitrag zu Abfallvermeidung leisten und so zu mehr Nachhaltigkeit führen. Aber auch dem Verbraucher wird ein echter Mehrwert geboten – denn wer lässt schon gerne Kratzer im Lack seines Autos für teures Geld reparieren? Der Markt ist da, die Technologie beginnt zu reifen – gefragt sind jetzt die Produktentwickler aus der Industrie.

Neue Technologie
Selbstheilung bei Kunststoffen

Kunststoffbauteile, die hohe mechanische Belastungen aushalten müssen, können brechen. Ursache dafür sind Mikrorisse, die in jedem Bauteil vorhanden sein können. Um das Risswachstum zu stoppen, haben Forscher jetzt elastische Polymere entwickelt, die sich selbst heilen. Andere Forschungsergebnisse beschäftigen sich mit selbstheilenden Lacken auf PUR-Basis, die einen großen Markt in der Autoindustrie oder bei anderen lackierten Bauteilen finden könnten.

infoDIRECT
Hintergrundinformationen online

Unter dem Suchwort 1106PVselbstheilend sind auf www.plastverarbeiter.de Links zu folgenden weiterführenden Informationen zu finden:
Link zur Technologie Roadmap „Selbstheilende Materialien“ (Fraunhofer Institut)
Bestellmöglichkeit für die Roadmap „Selbstheilende Materialien“ zur Anwendung in der Industrie
Link zum Bericht aus der Zeitschrift Nature zu selbstheilenden Oberflächenbeschichtungen
Link zum Bericht des SWR zu den selbstheilenden Oberflächenbeschichtungen
Dissertation zum Thema „Neue Additive und nanokristalline Conetzwerke für selbstheilende Polyurethanlacke“ (Uni Freiburg)
Hintergrundinfos zum Projekt Osiris
Projektblatt zu „Osiris“