Polymer- und biopolymerbasierte Materialsysteme

Polymer- und biopolymerbasierte Materialsysteme

Dieser Schwerpunkt wird von Prof. Dr. Peter Michel als Schwerpunktsprecher vertreten. Der polymerbasierte Leichtbau, wobei Thermoplaste bevorzugt werden, die Polymersynthese mit der immer wichtiger werdenden Entwicklung biopolymerbasierter Materialsysteme, der polymerbasierte 3D Druck und das stoffliche Recycling von Kunststoffen sind die Hauptthemen 1.1 bis 1.4. Polymere Materialsysteme haben ihren Ursprung in der chemischen Raffination/ Konversion von Erdöl, Erdgas und Kohle, die zu den entsprechenden Monomeren führt und zuneh­mend von heimischer Braunkohle, Biomasse, Kunststoffabfällen, sowie Wasserstoff und Kohlenstoff aus erneuerbaren Energiequellen ausgehen wird. Das stoffliche Recycling von Kunststoffen entwickelt sich dabei zu einer Projektsymbiose mit dem Schwerpunkt S4.

Die für biopolymerbasierte Materialsysteme einge­setzten Polymere werden entweder direkt aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen oder biotech­nologisch hergestellt, wie z.B. durch Expression in Mikroor­ganismen und Zellen, die in automatisch überwachten und Bioreaktoren kultiviert werden (Schwerpunkt S4).

Alternativ dazu können auch die Monomere selbst aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, wie z.B. Milchsäure, Itaconsäure, Isopren, Isobuten durch die Fermentation von aus Cellulose gewonnener Glucose. Letztlich lassen sich auch konventionellen Monomere, wie z.B. Ethylen über Ethanol gewinnen, das z.B. durch Vergärung von Glucose aus Cellulose oder Abfallstärke herstellbar ist.

Hauptthema 1.1: Polymerbasierter Leichtbau

Der polymerbasierte Leichtbau, derzeit fokussiert auf die Anwendung von Thermoplasten konzentriert sich auf die Entwicklung von mit Kohlen – und Naturfasern verstärkten Polymermaterialien und abgeleiteter Leichtbaustrukturen für den Automobil- und Flugzeugbau. Dabei spielen Compoundierungsverfahren,die optimale Einbindung der Faserver­stärkung und die Kombination mit gefalteten u.a. Stützstrukturen Schlüsselrollen. Die Optimierung der Herstellungsverfahren basiert zunehmend auf einer modellgestützten, digitalen Prozessüberwachung und - steuerung.

Hauptthema 1.2: Biopolymerbasierte und biologisch abbaubare Polymermaterialien

Die Synthese von  abbaubaren Polymeren konzentriert sich auf die Einstellbarkeit der biologischen Abbaubarkeit über Sollbruchstellen, z.B. in 2.5 -Furandicarbonsäureestern und Propandiol basierten Polyestern und den Einbau von aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellten Monomeren, wie z.B. Isobuten, Isopren, Ita­con­säure und pflanzenölbasierten Epoxiden. Über die Synthese und Charakterisierung von abbau­baren Polymermaterialien und polymeren Träger- und Transportpartikeln ergeben sich strategische Andockstellen zu den Schwerpunkten S2, S3 und S4.

Hauptthema 1.3: Stoffliches Recycling von Kunststoffen

Neue rohstoffseitige Verfahren zum Recycling von Kunststoffen und ganzheitliche Recyclingkonzepte, die schon die Synthese neuer Polymere einbeziehen. Fokus ist die Minimierung des Downcyclings und damit der Werterhalt und zukünftig die darüber hinausgehende Wertschöpfung.

Hauptthema 1.4: 3D Druck und Rapid Prototyping

Als Paradebeispiel für die digitalisierte Produktion und eine Schlüsseltechnologie weist der programmierte 3D Druck bei der individualisierten Fertigung aus Kunststoffen innovative Wege. In  Anknüpfung an den Schwerpunkt S2 könnte diese Technologie auch die Entwicklung und  Herstellung künstlicher Organe, anderer Implantate, z.B. aus aufgedruckten Zellen beschleunigen. Dabei wird die Anwendung von Biopolymeren über die verbesserte Biokompatibilität eine weiter stark zunehemende Bedeutung gewinnen.