Mit Lösungsmittel gefüllte Kapseln können Bruchstellen in thermoplastischen Polymeren reparieren. Bricht der Kunststoff, platzen die Kapseln auf und das Lösungsmittel tritt aus. Dadurch schwillt das Polymer lokal an und verschließt so den Riss.
Selbstheilendes Polymer | Sobald der Riss im Material auf eine Kapsel (rot) trifft, platzt diese auf und das darin enthaltene Lösungsmittel tritt aus. Dadurch schwillt das Polymer lokal an und dehnt sich in die Bruchstelle aus, so dass der Defekt repariert wird.
Die Forscher um Aaron Jackson der University of Illinois at Urbana-Champaign legten besonderen Wert darauf, dass das Material möglichst transparent blieb, damit es auch bei Beschichtungen von optischen Bauteilen eingesetzt werden kann. Die Gruppe suchte daher nach einem Weg, bei dem möglichst wenig Licht an den eingebetteten Kapseln und der aufgefüllten Bruchstelle gestreut wurde.
Das untersuchte Polymer PMMA (Polymethylmethacrylat) hat einen Brechungsindex von 1,49, daher entschieden sich die Wissenschaftler für Dibutylphtalat als Lösungsmittel, da dieses denselben Brechungsindex aufweist. Zudem ist es wegen des hohen Molekulargewichts kaum flüchtig, so dass die Kapseln über lange Zeit stabil bleiben.
Jackson und sein Team verwendeten zwei verschiedene Kapseldurchmesser: 1,5 und 75 Mikrometer. Die kleineren Partikel hatten den Vorteil, dass weniger Licht an ihnen gestreut wurde, allerdings enthielten sie viel weniger Lösungsmittel und konnten Risse daher nur bis zu einer gewissen Größe reparieren. Die großen Kapseln hingegen schlossen die Bruchstellen komplett – allerdings schienen sie nicht zuverlässig aufzuplatzen. Stattdessen wurden sie oft von der Bruchstelle weggeschoben, ohne zerstört zu werden.
Kapseln mit einem etwas größeren Durchmesser als die verwendeten 1,5 Mikrometer könnten daher vielleicht die besten Ergebnisse liefern, indem sie gleichzeitig eine hohe Transparenz zeigen, verlässlich aufplatzen und genügend Lösungsmittel zur Reparatur bereitstellen.
Zwar ist die Idee, Mikrokapseln zur Selbstheilung von Polymeren zu verwenden, nicht neu; bisher befüllten Forscher die Kapseln jedoch meist mit dem jeweiligen Monomer, das im Riss polymerisieren konnte.
Der Vorteil der Methode von Jackson liegt darin, dass kein neues Material gebildet wird, sondern vorhandenes anschwillt. Dadurch wird der Riss besser verschlossen, ohne dass die Naht sichtbar bleibt. Dies ist besonders im Hinblick auf Transparenz und Anwendung für optische Bauteile von großer Bedeutung. (jf)
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