Formbar unter Druck

Normalerweise verformt man Plastik durch Erhitzen. Bei einem neuen Kunststoff geht dies auch anders.

Cambridge (USA) - Plastik lässt sich mit Wärme über 200 Grad Celsius in jede beliebige Form bringen. Dieser Eigenschaft verdankt es seine unüberschaubar vielen Anwendungen vom Joghurtbecher bis zum High-Tech-Bauteil. Amerikanische Materialforscher erreichten das gleiche Ziel nun ausschließlich mit hohen Drücken bei Raumtemperatur. Damit lässt sich die Lebensdauer von Kunststoffen mit teilweise empfindlichen Füllstoffen deutlich verlängern. Solche Materialien - Baroplaste getauft - ließen sich auch nach zahlreichen Recycling-Vorgängen mit gleicher Qualität immer wieder verwenden, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt "Nature".

Baroplasten lassen sich leicht recyceln, ohne dass sich die Qualität des Materials verändert. Rohmaterial (links), aus dem Rohmaterial hergestellte Struktur (Mitte), Struktur nach dem zehnten recyceln bei 25 Grad Celsius (rechts). (Quelle: Anne M. Mayes/MIT)

"Diese Substanzen konnten wir mindestens zehnmal schreddern und in eine Form drücken, ohne dass das Material Veränderungen zeigte", schreiben Anne M. Mayes und ihre Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology im amerikanischen Cambridge. Mit enormen Drücken von bis zu 34,5 Megapascal pressten sie die Kunststoffrohmasse bei nur 25 Grad Celsius in eine filigrane, durchsichtige und flexible Struktur. Diese Fixierung in einer Hydraulikpresse wurde möglich durch eine elegante Komposit-Mischung aus Polystyrol und Polybutylacrylaten (PS-b-PEHA).

Eine Erklärung für dieses überraschende Formverhalten wollen die Materialforscher in der Nanostruktur ihres Komposit-Kunststoffs gefunden haben: Bei einem durchschnittlichen Partikel-Durchmesser von 67 Nanometern mischen und verketten sich die verschiedenen Polymer-Arten nur bis zu einem gewissen Grad. Dabei beschreiben sie das Verhalten der Polystyrol-Domänen als glas-, die der Polyacrylate dagegen als gummiartig. Durch diese Mischung "fließen" die Moleküle unter Druck quasi aneinander vorbei und verharren an ihrer Position, wenn der Druck nachlässt. So können diese Verknüpfungen wieder gelöst und neue eingegangen werden.

Diese neue Klasse der so genannten "Baroplasten" – im Unterschied zu den thermisch verformbaren "Thermoplasten" – könnte für die Kunststoff-Industrie von größtem Interesse sein. Einerseits verringert sich der hohe Energieverbrauch bei der Formgebung durch Hitze. Andererseits leiden empfindliche Zusatzstoffe wie Farbstoffe oder funktionelle Füllmaterialien (z. B. Weichmacher) nicht mehr durch die wiederholte Wärmezufuhr beim Recycling. Auch ein "Erblinden" durchsichtiger Kunststoffe durch eine wärmeabhängige zunehmende Verkettung der Polymerketten könnte vermieden werden. Ließen sich die baroplastischen Kunststoff-Komposite in Zukunft kostengünstig herstellen, könnte das erhebliche Kostensenkungen durch eine Steigerung der möglichen Verwertungs-Zyklen nach sich ziehen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Juan A. Gonzalez-Leon et al., Low-temperature processing of ‘baroplastics’ by pressure-induced flow", Nature 426, 424 (2003).
  http://dx.doi.org/doi:10.1038/nature02140  
• Kontakt: 
  A. M. Mayes, E-Mail: amayes@mit.edu  
• Massachusetts Institute of Technology: 
  http://www.mit.edu  
• Department of Materials Science and Engineering: 
  http://dmse.mit.edu  
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Weitere Literatur:

• Ruzette, A.-V. G.,Mayes, A. M., Pollard,M., Russell, T. P. & Hammouda, B., Pressure effects on the phase behavior of styrene/n-alkyl methacrylate block copolymers, Macromolecules 36, 3351 (2003).  
• Ruzette, A.-V. G., Banerjee, P.,Mayes, A. M. & Russell, T. P., A simple model for baroplastic behavior in block copolymer melts, J. Chem. Phys. 114, 8205 (2001).  
• Ryu, D. Y., Lee, D. J., Kim, J. K., Lavery, K. A. & Russell, T. P., Effect of hydrostatic pressure on closedloop phase behavior of block copolymers, Phys. Rev. Lett. 90, 235501 (2003).  
• Hasegawa, H. et al., Small-angle neutron scattering studies on phase behavior of block copolymers.  
• Ehrenstein, G. H., Polymeric Materials 63–89, 98 (Hanser, Munich 2001).