superfaser

Verstreckung einer multifibrillaren Polyacrylnitrilfaser (Bild: Jürgen Rennecke/Universität Bayreuth)

Das Verständnis der einzigartigen Eigenschaften der Superpolymerfasern wäre ohne die Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg nicht möglich gewesen. Am Lehrstuhl Mikrostrukturbasiertes Materialdesign am Institut für Physik unter der Leitung von Prof. Ralf Wehrspon wurden die Fasern mittels hochauflösender dreidimensionalen Röntgen-Computertomographie (Zeiss Xradia 810 Ultra) charakterisiert. Die Technik ermöglicht die Erstellung von 3D-Bildern kleiner Proben mit einem hohen Detaillierungsgrad. Als die Forscher die Fasern abbildeten, konnten sie zum ersten Mal sehen, dass die Fibrillen innerhalb einer einzelnen Faser fast immer in derselben Längsrichtung angeordnet sind. Was die 3D-Bilder in Kombination mit den anderen Befunden zeigten, erklärt Dr. Juliana Martins de Souza e Silva, Gruppenleiterin für das Röntgenelektronenmikroskop der MLU und Habilitandin bei Prof. Wehrspohn: „Nur die Kombination aus hochfibrillärer Orientierung, die durch Strecken und Tempern in Gegenwart einer bestimmten Menge Polybisazid als miteinander verbundenes Molekül verursacht wurde, ergab eine starke Festigkeit und Zähigkeit in Kombination mit hoher Kristallinität in einem leichten Material“.

Extrem belastbar

Spektakulär an den Fasern auf der chemischen Basis von Polyacrylnitril ist ihre extreme Belastbarkeit und Zugfestigkeit bei gleichzeitig extrem geringem Gewicht. Eine einzelne Faser mit einem Durchmesser von etwa 0,04 mm besteht aus bis zu 4.000 ultradünnen Fibrillen. Das Additiv, das Verbindungsmolekül, fügt die Fibrillen in der Faser günstig aneinander. Es ist jedoch nicht nur das Additiv, das die Festigkeit liefert, sondern auch die Kombination mit der Ausrichtung der hohen Fibrillen als ein Ergebnis des Herstellungsprozesses durch Dehnen und Wärmebehandlung. Zum Vergleich: Eine einzelne Faser ist nicht dicker als ein menschliches Haar, wiegt weniger als eine Fruchtfliege und kann gleichzeitig ein Gewicht von 30 Gramm heben.

Synthetische Materialien, die eine so hohe Festigkeit mit extremer Zähigkeit kombinieren, sind selten. Diese wichtige technologische Herausforderung haben die Wissenschaftler aus Halle gemeinsam mit Forschern der Universität Bayreuth, des Forschungszentrums Jülich und weiteren Partnern in Deutschland, China und der Schweiz gemeistert. Die von ihnen hergestellten Polymerfasern widerstehen Verformung und Bruch, indem sie sich dehnen und anschließend wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren und damit viel Energie aufnehmen kann. „Zusammen mit dem gleichzeitig geringen Gewicht sind die Fasern einzigartig, weil es bis jetzt schwierig war, hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit in einem einzigen Material zu kombinieren“, sagt Juliana Martins de Souza e Silva.

Vielfältig einsetzbar

Diese Fasern eignen sich ideal für technische Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, beispielsweise in der Textilindustrie als Material für Fallschirme und Körperschutz oder in der Medizintechnik für künstliche Sehnen und Bänder, Gewebereparaturmaterialien oder chirurgische Nähte. Der Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist ebenso denkbar wie im Automobilbau. Dort, sagt Dr. Martins de Souza e Silva, könnten sie zum Beispiel bei der Herstellung von abriebfesten Reifen und anderen Fahrzeugteilen verwendet werden und damit zur Verringerung des Fahrzeug-Gewichtes beitragen. Ein weiterer Vorteil der Fasern ist, dass sich recycelt werden können.

Die Weiterentwicklung des Materials hält die Wissenschaftlerin für durchaus denkbar: „Unsere Fasern verwenden ein innovatives Designprinzip, das die Herstellung ähnlich starker und zäher Fasern aus anderen Standardpolymeren ermöglicht. Andere Kombinationen von Polymeren und Linkermolekülen können daher zu neuen Materialien führen.“ Vorerst aber würden die von den Teams in Halle, Bayreuth, Nanchang und Zürich entdeckten Polymerfasern problemlos mit in der Branche etablierten High-Tech-Verfahren hergestellt werden können. „Wir erwarten schon in naher Zukunft die praktische Anwendung seitens der Industrie“, ist sich die Forscherin sicher.

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