Ausbildung offenporiger Polymerschichten durch Fällung mit thermisch sensiblen Hydrogelen

Quellenangaben
BMWi / AiF: 154 ZBR

Im Vorläuferprojekt 11731 gelang es, thermisch schaltbare Hydrogele so zu modifizieren, dass ein umsetzbarer Lösungsansatz als neue Variante zur Fällung von Polyurethan(PUR)-Lösungen mit effizienterer und variabler Prozeßführung entwickelt wurde. Die Freisetzung des Wassers aus dem Hydrogel erfolgt mittels Temperaturzuführung nach dem Auftrag der PUR-Lösung und initiiert die Fällung. Durch die Verteilung des Fällmittels reduzieren sich die Diffusionswege und damit die Kosten durch die höhere Fahrgeschwindigkeit. Zusätzlich werden die Eigenschaften des Polymerfilms auf Grund der im Film verbleibenden Hydrogelteilchen hinsichtlich Sorptionsverhalten und Weichheit verbessert.

Das Forschungsziel der Projekte 55ZBR und 154ZBR bestand darin, ein neues Verfahren zur Ausbildung einer offenzelligen atmungsaktiven PUR-Schicht ohne die aufwändige Koagulationstechnik zu entwickeln. Basis dafür ist die Maßschneiderung und Synthese geeigneter Polymersysteme (Hydrogele), mit denen es gelingt, Wasser und ein geeignetes Cosolvens (hoher Siedepunkt, Fällmittel für die Polymerbasis der porösen Schichten) reversibel zu binden und bei erhöhter Temperatur freizusetzen. Der aufwändige Waschprozess soll eingespart werden, indem die Löse- und Fällmittel in herkömmlichen Trocknern nacheinander verdunsten.

Durch Wahl geeigneter Komponenten sowie Reaktionsbedingungen gelang es, reproduzierbare Materialien zu synthetisieren, die in wässriger Lösung von Diethylenglykol ein thermisch sensibles Löslichkeitsverhalten zeigen. Es lassen sich definierte Phasenübergangstemperaturen (PÜT) einstellen, die durch die Art der Polyesterkomponenten, dem Polykondensationsgrad, sowie der Art und des Anteils des Polyols im Mischlösungsmittel bestimmt werden. Die Herstellung des Gelnetzwerkes erfolgt als vernetzende Copolymerisation mit N-substituierten Acrylamiden. Der Prozess der notwendigen Umhüllung der Gelteilchen mit Polystyren konnte nicht direkt vom Vorläuferprojekt übernommen werden. Im Nachfolgeprojekt 154ZBR waren deshalb Optimierungen der Polymerisation der Hülle erforderlich. Die für die Verarbeitung der Gele notwendigen Aufarbeitungsprozesse und deren Folgen für die Geleigenschaften waren ebenfalls neu zu quantifizieren.

Für die erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens insbesondere des Verfahrensschrittes "Trocknen" musste der Quellgrad der Gele angehoben werden, um die zur Verfügung stehende Fällmittelmenge zu erhöhen. Die Freisetzung des Fällmittelgemisches und das Eintreten der Phaseninversion der PUR-Lösung konnte mit geeigneten Untersuchungsmethoden sowie in praxisrelevanten Versuchen nachgewiesen werden. Allerdings reicht die begrenzte Fällmittelmenge nicht aus, um das Verfahren effizient zu gestalten. Die Fällung bei hoher Luftfeuchte bietet die Möglichkeit, dem System zusätzlich Wasser zur Verfügung zu stellen. Die gefällte Porenstruktur während des Trocknungsprozesses stabil zu halten, gelang bei PUR- Lösungen, die in Lösungsmittelgemischen, bestehend aus einem Niedrigsieder und Dimethylformamid gelöst waren. Auch für das neue Verfahren sind ausschließlich Koagulationstypen einsetzbar.

Die Anwendungsmöglichkeiten des neuen Verfahrens werden durch die Notwendigkeit einer apparativen Investition (Feuchtekanal oder Fällbad) stark eingeschränkt, da keine der vorhandenen Beschichtungsanlagen darüber verfügt. Gegenüber den mit rein wässrigen Hydrogelen erzielbaren herausragenden Eigenschaften (Vorläuferprojekt) sind Einschränkungen hinsichtlich Porenstruktur und Sorptionsvermögen vorhanden.

Die Zielstellung des Projektes wurde erreicht.

Forschungsstellen:

Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen gGmbH, Meissner Ring 1-5, 09599 Freiberg
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, Geiselbergstraße 69, 14476 Golm

Das Forschungsvorhaben wurde aus Haushaltmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.

Der ausführliche Abschlussbericht ist im Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen (FILK) verfügbar.