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Funktionspolymere oder intelligente Polymere englisch stimuli responsive polymers oder smart polymers sind komplexe Makr

Funktionspolymere

Funktionspolymere oder intelligente Polymere (englisch: stimuli-responsive polymers oder smart polymers) sind komplexe Makromoleküle, deren physikalischen und chemischen Eigenschaften sich durch kleine Änderungen einer oder mehrerer Umwelteigenschaften in großem Maße aber reversibel verändern. Damit sind sie in der Lage auf Veränderungen in der Umwelt wie beispielsweise von Temperatur, Licht oder pH-Wert zu reagieren.

Typen von Funktionspolymeren Bearbeiten

Es können verschiedene Arten von Funktionspolymeren unterschieden werden zum Beispiel je nach äußerem Reiz, auf den das Polymer reagieren kann:

Eigenschaften Bearbeiten

Funktionspolymere zeichnen sich zudem durch spezifische Adsorptions-, Reaktivitäts- und Transporteigenschaften aus und sind deshalb als Materialien beispielsweise für Sensor-, Aktuator- oder Membranen geeignet. Des Weiteren sind sie für oberflächen- und grenzflächenverändernde, kompatibilisierende und andere Applikationen verwendbar. Ihre spezifischen Eigenschaften resultieren aus den molekularen und supramolekularen Strukturen der Makromoleküle, aus denen sie bestehen. Weiterhin lassen sich geeignete Polymere mittels spezifischer anorganischer oder organischer Additive modifizieren, um zu Funktionspolymeren mit diesen besonderen Werkstoffeigenschaften zu gelangen.

Funktionspolymere befinden sich im Fokus intensiver Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Die klassischen Applikationen von Polymeren liegen im Bereich der Konstruktion. Die Anwendung von Funktionspolymeren liegt im nichtstrukturellen Bereich. Von Interesse sind dabei Polymere mit spezifischen elektrischen, magnetischen, optischen, elektrochromen, thermochromen, antibakteriellen, flüssigkristallinen oder anderen funktionellen Eigenschaften.

Unter dem Begriff Funktionspolymere werden Makromolekülsysteme mit außergewöhnlichen Eigenschaften verstanden als auch deren Kombination mit organischen niedermolekularen Substanzen oder anorganischen Materialien, Nanopartikeln, Nanofasern oder Nanoröhren. Dies sind Basismaterialien für neue Applikationen, einschließlich der Erforschung von diesbezüglichen Herstellungsprozessen und der Generierung von dazugehörigem Equipment. Die Bedeutung von Funktionswerkstoffen auf der Basis nativer oder synthetischer Polymere resultiert aus der Tatsache, dass sie eine Werkstoffbasis für Technologieentwicklungen bilden und Schlüsseltechnologien dieses Jahrhunderts ohne den Einsatz neuartiger funktioneller Polymerwerkstoffe und Polymerwerkstoffsysteme kaum realisierbar sind.

Trotz der vielfältigen wissenschaftlichen und technologischen Aktivitäten sind bisher nur wenige ausgewählte Anwendungen wie organische Leuchtdioden, sogenannte OLEDs oder Displays auf Polymerbasis verfügbar. Den Funktionspolymersystemen wird eine zunehmende Relevanz für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Informations- und Kommunikationstechnik, Erzeugung, Speicherung bzw. Umwandlung von Energie oder Lebenswissenschaften zugeschrieben, die unter anderem für das Niedrigpreissegment und für Massenmärkte interessant sind. Aber auch in einer Vielzahl von Nischenmärkten oder neuer Märkte werden Applikationen diskutiert.

Produkte aus und mit elektronischen Funktionspolymeren Bearbeiten

Funktionstextilien und textile Verbundkonstruktionen Bearbeiten

  • Funktionale Schichten auf Textiloberflächen; Wirkstofftragende Textilfasern
  • elektrisch leitfähige und piezoelektrische Fasern und Textilien
  • Intelligente adaptive Textilien und Transfersysteme; „smart clothings“
  • Biokompatible Textilkonstrukte; „tissue engineering materials“
  • Chromatographie-, Apherese-, Adsorberfasern; „drug delivery systems“

Potenziale und Anwendungsgebiete Bearbeiten

Die wichtigsten Anwendungen für Funktionspolymere sind aktuell im Gesundheitsbereich zu finden. Dazu zählt zum Beispiel die gezielte Freisetzung von Medikamenten im Körper durch äußere Reize.

Funktionspolymersysteme bieten zudem Potenziale, vor allem resultierend aus den Kombinationsmöglichkeiten einzelner Komponenten in Mikrosystemen, wie beispielsweise von Sensorik und Aktuatorik mit Fluidik und Logik im Falle von Sensorarraychips, die aus mikrofluidischen Strukturen, Aktuatoren und geeigneten Sensoren sowie einer Auswerte- und Kommunikationselektronik bestehen („lab on a chip“). Des Weiteren erlauben Funktionspolymere Strukturierungs- und Produktionstechnologien wie zum Beispiel das Drucken. Die Verwendung von Funktionspolymermaterialien bringt im Vergleich zur Applikation herkömmlicher Halbleiterwerkstoffe eine Vielzahl von Vorteilen mit sich, die vor allem in der Kombinier- und Integrierbarkeit verschiedener Funktionalitäten, in der Adaptivität auf äußere Einflussfaktoren und Umgebungsbedingungen, in der freien Formgebung, in der Anwendbarkeit von Technologien mit geringen Herstellungskosten und der Tauglichkeit für die Massenproduktion gesehen werden.

Der Fahrzeug- und Maschinenbau ist stark geprägt durch die Integration zusätzlicher Sensorik, Aktuatorik, Elektronik, Regelungstechnik, Mechatronik und Adaptronik sowie durch den Einsatz von Spezialwerkstoffen mit spezifischen Funktionalitäten auf Polymerbasis, einschließlich der Weiterentwicklung von Konstruktionsprinzipien und der Bewertung der Einsatzsicherheit daraus resultierender Produkte.

Smarte Hydrogele Bearbeiten

Die Empfindlichkeit smarter Hydrogele gegenüber äußeren Einflüssen wird in der Regel durch im Netzwerk verankerte Ionen hervorgerufen, die durch eine Mischung aus chemischen, elektrischen und mechanischen Wechselwirkungseffekten Differenzen in den Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb des Gels hervorrufen. Dadurch wird das Wasser durch Osmose ins oder aus dem Gel gedrängt und eine sich ändernde Dehnung des Gels ausgelöst. Im Gegenzug kann durch eine mechanische Verformung bei gleichbleibenden Randbedingungen eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels erzeugt werden, wodurch die Verformung gemessen und quantitativ erfasst werden kann. Smarte Hydrogele besitzen somit integrierte Aktor-Sensor-Funktionen, d. h., sie vereinen Sensoren und Aktoren in einem einzigen Element. Dies wird zum Beispiel in Chemostaten ausgenutzt.

Von smarten Hydrogelen werden beträchtliche Impulse für die chemische Sensorik, Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik, Regelungstechnik sowie Medizintechnik erwartet. Manchmal werden smarte Hydrogele auch als chemomechanische Aktoren bezeichnet.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • A. Herrmann: Makromolekulare Chemie 2008 (Trendbericht). Nachrichten aus der Chemie 57 (3) 2009, 297–304.
  • A. Schmidt, H. Frauenrath: Makromolekulare Chemie 2007 (Trendbericht). Nachrichten aus der Chemie 56 (3) 2008, 315–324.
  • M. Grüne, S. Reschke, J. Kohlhoff: Werkstofftrends: Elektronische Funktionspolymere. Werkstoffe in der Fertigung (2008),1,3ff.
  • H. Schlaad, H. G. Börner: Makromolekulare Chemie 2006 (Trendbericht). Nachrichten aus der Chemie 55 (3) 2007, 306–312.
  • R. Pfaendner: Funktionspolymere durch kontrollierte Reaktionen und ihre Anwendungen. KGK (2006) 11, 582–589.
  • D. Hertel, C. D. Müller, K. Meerholz: Bilderzeugung – Organische Leuchtdioden. Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 336–347.
  • A. Göthlich, S. Koltzenburg, G. Schornick: Vielseitig – Funktionale Polymere im Alltag. Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 262–273.
  • J. Bohrisch, M. Hahn: Neuartige schaltbare Hydrogele. Fraunhofer IAP Jahresbericht 2004/2005, 64–65.
  • E. Görnitz, B.-R. Paulke: Von Polymerkolloiden zu photonischen Materialien. Fraunhofer IAP Jahresbericht 2003, 70–71.
  • E. Winkler, H. Pielartzik, A. Schneller: Funktionspolymere. Angew. Makromol. Chemie 244 (1997), 161–181.
  • H.-K. Roth, M. Schrödner: Applikationsfelder organischer Funktionspolymere, Polymeraktoren und Polymertransistoren. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 34 (2003) 3, 254–261.

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ María Rosa Aguilar & Julio San Román: Smart Polymers and their Applications. Elsevier Science, 2014, ISBN 978-0-85709-695-1, S. 1–298.
  2. A. J. Lovinger: Ferroelectric Polymers. In: Science. Band 220, Nr. 4602, 10. Juni 1983, ISSN 0036-8075, S. 1115–1121, doi:10.1126/science.220.4602.1115.
  3. Ballhause und Wallmersperger: Coupled chemo-electro-mechanical finite element simulation of hydrogels: I. Chemical stimulation
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Veröffentlichungsdatum:
Funktionspolymere oder intelligente Polymere englisch stimuli responsive polymers oder smart polymers sind komplexe Makromolekule deren physikalischen und chemischen Eigenschaften sich durch kleine Anderungen einer oder mehrerer Umwelteigenschaften in grossem Masse aber reversibel verandern Damit sind sie in der Lage auf Veranderungen in der Umwelt wie beispielsweise von Temperatur Licht oder pH Wert zu reagieren 1 Inhaltsverzeichnis 1 Typen von Funktionspolymeren 2 Eigenschaften 3 Produkte aus und mit elektronischen Funktionspolymeren 4 Funktionstextilien und textile Verbundkonstruktionen 5 Potenziale und Anwendungsgebiete 6 Smarte Hydrogele 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 EinzelnachweiseTypen von Funktionspolymeren BearbeitenEs konnen verschiedene Arten von Funktionspolymeren unterschieden werden zum Beispiel je nach ausserem Reiz auf den das Polymer reagieren kann 1 Thermoresponsive Polymere pH responsive Polymere also schwache Polyelektrolyte Photoresponsive Polymere Magnetresponsive Polymere Kunststoffmagnete Enzymresponsive Polymere Formgedachtnispolymere Selbstheilende Polymere Leitfahige Polymere ferroelektrische Polymere 2 elektroaktive Polymere dielektrische Elastomere Flussigkristallpolymere BlockcopolymereEigenschaften BearbeitenFunktionspolymere zeichnen sich zudem durch spezifische Adsorptions Reaktivitats und Transporteigenschaften aus und sind deshalb als Materialien beispielsweise fur Sensor Aktuator oder Membranen geeignet Des Weiteren sind sie fur oberflachen und grenzflachenverandernde kompatibilisierende und andere Applikationen verwendbar Ihre spezifischen Eigenschaften resultieren aus den molekularen und supramolekularen Strukturen der Makromolekule aus denen sie bestehen Weiterhin lassen sich geeignete Polymere mittels spezifischer anorganischer oder organischer Additive modifizieren um zu Funktionspolymeren mit diesen besonderen Werkstoffeigenschaften zu gelangen Funktionspolymere befinden sich im Fokus intensiver Forschungs und Entwicklungsaktivitaten Die klassischen Applikationen von Polymeren liegen im Bereich der Konstruktion Die Anwendung von Funktionspolymeren liegt im nichtstrukturellen Bereich Von Interesse sind dabei Polymere mit spezifischen elektrischen magnetischen optischen elektrochromen thermochromen antibakteriellen flussigkristallinen oder anderen funktionellen Eigenschaften Unter dem Begriff Funktionspolymere werden Makromolekulsysteme mit aussergewohnlichen Eigenschaften verstanden als auch deren Kombination mit organischen niedermolekularen Substanzen oder anorganischen Materialien Nanopartikeln Nanofasern oder Nanorohren Dies sind Basismaterialien fur neue Applikationen einschliesslich der Erforschung von diesbezuglichen Herstellungsprozessen und der Generierung von dazugehorigem Equipment Die Bedeutung von Funktionswerkstoffen auf der Basis nativer oder synthetischer Polymere resultiert aus der Tatsache dass sie eine Werkstoffbasis fur Technologieentwicklungen bilden und Schlusseltechnologien dieses Jahrhunderts ohne den Einsatz neuartiger funktioneller Polymerwerkstoffe und Polymerwerkstoffsysteme kaum realisierbar sind Trotz der vielfaltigen wissenschaftlichen und technologischen Aktivitaten sind bisher nur wenige ausgewahlte Anwendungen wie organische Leuchtdioden sogenannte OLEDs oder Displays auf Polymerbasis verfugbar Den Funktionspolymersystemen wird eine zunehmende Relevanz fur eine Vielzahl von Anwendungen beispielsweise in den Bereichen Informations und Kommunikationstechnik Erzeugung Speicherung bzw Umwandlung von Energie oder Lebenswissenschaften zugeschrieben die unter anderem fur das Niedrigpreissegment und fur Massenmarkte interessant sind Aber auch in einer Vielzahl von Nischenmarkten oder neuer Markte werden Applikationen diskutiert Produkte aus und mit elektronischen Funktionspolymeren BearbeitenPolymeraktoren mechano aktive Funktionspolymerverbunde Polymersensoren Feldeffekttransistoren integrierte Polymerschaltkreise und RFID Transponder Organische Dunnschichtsolarzellen Polymer Solarzellen organische Elektrolumineszenzdioden Polymerdisplays e paper Polymer Lichtwellenleiter und Polymerfolien mit schaltbarer Transparenz Antistatikprodukte und Abschirmmaterialien gegen elektromagnetische StrahlungFunktionstextilien und textile Verbundkonstruktionen BearbeitenFunktionale Schichten auf Textiloberflachen Wirkstofftragende Textilfasern elektrisch leitfahige und piezoelektrische Fasern und Textilien Intelligente adaptive Textilien und Transfersysteme smart clothings Biokompatible Textilkonstrukte tissue engineering materials Chromatographie Apherese Adsorberfasern drug delivery systems Potenziale und Anwendungsgebiete BearbeitenDie wichtigsten Anwendungen fur Funktionspolymere sind aktuell im Gesundheitsbereich zu finden Dazu zahlt zum Beispiel die gezielte Freisetzung von Medikamenten im Korper durch aussere Reize 1 Funktionspolymersysteme bieten zudem Potenziale vor allem resultierend aus den Kombinationsmoglichkeiten einzelner Komponenten in Mikrosystemen wie beispielsweise von Sensorik und Aktuatorik mit Fluidik und Logik im Falle von Sensorarraychips die aus mikrofluidischen Strukturen Aktuatoren und geeigneten Sensoren sowie einer Auswerte und Kommunikationselektronik bestehen lab on a chip Des Weiteren erlauben Funktionspolymere Strukturierungs und Produktionstechnologien wie zum Beispiel das Drucken Die Verwendung von Funktionspolymermaterialien bringt im Vergleich zur Applikation herkommlicher Halbleiterwerkstoffe eine Vielzahl von Vorteilen mit sich die vor allem in der Kombinier und Integrierbarkeit verschiedener Funktionalitaten in der Adaptivitat auf aussere Einflussfaktoren und Umgebungsbedingungen in der freien Formgebung in der Anwendbarkeit von Technologien mit geringen Herstellungskosten und der Tauglichkeit fur die Massenproduktion gesehen werden Der Fahrzeug und Maschinenbau ist stark gepragt durch die Integration zusatzlicher Sensorik Aktuatorik Elektronik Regelungstechnik Mechatronik und Adaptronik sowie durch den Einsatz von Spezialwerkstoffen mit spezifischen Funktionalitaten auf Polymerbasis einschliesslich der Weiterentwicklung von Konstruktionsprinzipien und der Bewertung der Einsatzsicherheit daraus resultierender Produkte Smarte Hydrogele BearbeitenDie Empfindlichkeit smarter Hydrogele gegenuber ausseren Einflussen wird in der Regel durch im Netzwerk verankerte Ionen hervorgerufen die durch eine Mischung aus chemischen elektrischen und mechanischen Wechselwirkungseffekten Differenzen in den Ionenkonzentrationen innerhalb und ausserhalb des Gels hervorrufen Dadurch wird das Wasser durch Osmose ins oder aus dem Gel gedrangt und eine sich andernde Dehnung des Gels ausgelost Im Gegenzug kann durch eine mechanische Verformung bei gleichbleibenden Randbedingungen eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels erzeugt werden wodurch die Verformung gemessen und quantitativ erfasst werden kann Smarte Hydrogele besitzen somit integrierte Aktor Sensor Funktionen d h sie vereinen Sensoren und Aktoren in einem einzigen Element 3 Dies wird zum Beispiel in Chemostaten ausgenutzt Von smarten Hydrogelen werden betrachtliche Impulse fur die chemische Sensorik Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik Regelungstechnik sowie Medizintechnik erwartet Manchmal werden smarte Hydrogele auch als chemomechanische Aktoren bezeichnet Siehe auch BearbeitenSuperabsorberLiteratur BearbeitenA Herrmann Makromolekulare Chemie 2008 Trendbericht Nachrichten aus der Chemie 57 3 2009 297 304 A Schmidt H Frauenrath Makromolekulare Chemie 2007 Trendbericht Nachrichten aus der Chemie 56 3 2008 315 324 M Grune S Reschke J Kohlhoff Werkstofftrends Elektronische Funktionspolymere Werkstoffe in der Fertigung 2008 1 3ff H Schlaad H G Borner Makromolekulare Chemie 2006 Trendbericht Nachrichten aus der Chemie 55 3 2007 306 312 R Pfaendner Funktionspolymere durch kontrollierte Reaktionen und ihre Anwendungen KGK 2006 11 582 589 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