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Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V.Hohe Straße 6 | D-01069 DresdenPostfach 12 04 11 | D-01005 DresdenTel. (03 51) 46 58 - 0Fax (03 51) 46 58 - [email protected]
PolymerforschungFaszination. Innovation.
Teilinstitut Makromolekulare ChemieProf. Dr. Brigitte VoitTel. (0351) 46 58-590
Abteilung PolymerstrukturenDr. Doris PospiechTel. (0351) 46 58-497
Abteilung AnalytikDr. Klaus-Jochen EichhornTel. (0351) 46 58-256
Abteilung Polymerreaktionen und BlendsDr. Frank BöhmeTel. (0351) 46 58-298
Teilinstitut Physikalische Chemie undPhysik der PolymereProf. Dr. Manfred Stamm Tel. (0351) 46 58-225
Abteilung PolymergrenzflächenDr. Karina Grundke Tel. (0351) 46 58-475
Abteilung Mechanik und FadenbildungDr. Konrad SchneiderTel. (0351) 46 58-296
Abteilung NanostrukturierteMaterialienProf. Dr. Manfred StammTel. (0351) 46 58-225
Professur/Arbeitsgruppe Theorie derPolymere an Grenzflächen Prof. Dr. Jens-Uwe SommerTel. (0351) 46 58-379
Teilinstitut PolymerwerkstoffeProf. Dr. Gert HeinrichTel. (0351) 46 58-361
Abteilung OberflächenmodifizierungDr. Ulrich SchelerTel. (0351) 46 58-275
Abteilung VerarbeitungsprozesseProf. Dr. Udo WagenknechtTel. (0351) 46 58-433
Abteilung SchmelzemodifizierungDr. Dieter LehmannTel. (0351) 46 58-392
Abteilung VerbundwerkstoffeDr. Edith MäderTel. (0351) 46 58-305
Forschungsbereich BiofunktionellePolymermaterialien am Max-Berg-mann-Zentrum für Biomaterialien Dr. Carsten Werner Tel. (0351) 46 58-532
Matrix EngineeringDr. Tilo PompeTel. (0351) 46 58-604
Hämokompatible OberflächenDr. Claudia SperlingTel. (0351) 46 58-527
Ladung und Struktur an Bio-GrenzflächenDr. Ralf ZimmermannTel. (0351) 46 58-258
ForschungstechnikDr. Michael Wilms Tel. (0351) 46 58-221
Konstruktion und Geräteentwicklung Dr. Michael Wilms Tel. (0351) 46 58-221
Werkstatt, Gerätebau undForschungsservice Bernd Klose Tel. (0351) 46 58-263
Leitungsstab Forschungsplanung und -koordinierung/Patente/Lizenzen/TechnologietransferAntonio Reguero | Tel. (0351) 46 58-213Öffentlichkeitsarbeit Kerstin Wustrack | Tel. (0351) 46 58-282Referent der WissenschaftlichenDirektorinDr. Frank Simon | Tel. (0351) 46 58-488
Gruppen der Verwaltung/Technische DiensteFinanzenRegina Buls | Tel. (0351) 46 58-209Personal und Soziales Christa Jacob | Tel. (0351) 46 58-283Material- und Gerätewirtschaft/BauwesenKerstin Nitsche | Tel. (0351) 46 58-223Haustechnische DiensteFalk Wünsche | Tel. (0351) 46 58-260InformationstechnikDr. Helmut HäuslerTel. (0351) 46 58-350BibliothekUrsula Umlauf | Tel. (0351) 46 58-253
Wissenschaftlicher Beirat
Prof. Dr. Franz Brandstetter, BASF AGProf. Dr. Michael Dröscher, Degussa AGProf. Dr. Stoyko Fakirov, Universität Sofia, Bulgarien Prof. Dr. Willem Norde, Universität Wageningen, NiederlandeProf. Dr. Hans-Joachim Radusch, Martin-Luther-Universität Halle-WittenbergProf. Dr. Matthias Rehahn, Deutsches Kunststoff-Institut DarmstadtDr. Uwe Scheim, Wacker Chemie AG, Nünchritz Prof. Dr. Petra Schwille, Technische Universität Dresden Prof. Dr. Hartmut Worch, Technische Universität Dresden
InstitutsstrukturJanuar 2007
Mitgliederversammlung
KuratoriumVorsitzende Min.-Rätin Dr. Petra Karl Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Stellvertretende VorsitzendeMonika Kraft | Bundesministerium für Bildung und Forschung
Prof. Hermann Kokenge | Technische Universität DresdenProf. Dr. Hans Wolfgang Spiess | Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz
Standort
ImpressumHerausgeber Vorstand des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V.
AbbildungenJörg Lange – Die Bilder-manufakturIPF Dresden e. V.
GestaltungDr. Dabow Grafik + Werbung
DruckStoba-Druck GmbH
Redaktionsschluss1.2.2007
Weißeritz
Bürgerw
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Bhf.Friedrich-stadt
Schäferstr.
B 6
Löbta
uer Str.
Freiberger Str.
Nossener Brücke
Chem
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Würzburger Str.Nöthnitzer Str.
Nürnberger Str.
Münchner Str.
Hohe S
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Schweizer Str.
Haupt-bhf.
B170
F.-L
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Bayrische Str.Wiener Str.
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Post-platz Wilsdruffer Str.
Schweriner Str.
Ostraallee
Marienbrücke
Bhf.Mitte
Südvorstadt
Budapester Str.
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Terrassenufer
IPF
Elbe
B170 B97
B6
B172B170
B173
B6
AB Dresden-Flughafen
Radebeul AB Dresden-Hellerau
AB Dresden-Wilder Mann
AB Dresden-Altstadt
AB Dresden-Gorbitz
AB Dresden-Südvorstadt
Cossebaude
AB Dresden-Neustadt
Elbe
Kesselsdorf
Bhf.Mitte
Bhf.Neu-stadt
FreitalPrag
Bautzen
Berlin
Bhf. Flugh.Dresden
A13
A4
A4
A17
Haupt-bhf.
Chemnitz
IPF
Vorstand
Wissenschaftliche DirektorinProf. Dr. Brigitte VoitTel. (0351) 46 58-590
Kaufmännischer DirektorAchim von DungernTel. (0351) 46 58-220
Inhalt
1
Unsere Aufgabe 2Standort und Netzwerke 3
Multifunktionale Polymerarchitekturen 4Definierte Polymerarchitekturen und multi- und biofunktionale Polymere 5Nanostruktur- und Morphologiekontrolle mittels Polymersynthese 6(Poly)reaktionen in der Schmelze und der Verarbeitung 7Polymeranalytik 8
Funktionelle und nanostrukturierte Polymergrenzflächen 9Funktionalisierung und Charakterisierung von Grenzflächen 10Nanostrukturierte Grenzflächen und dünne Filme 11Geladene Polymersysteme im Kontakt mit Wasser 12Theorie der Polymere 13
Polymere Funktionswerkstoffe 14Reaktive Verarbeitungsprozesse 15Nanocomposite und Blends 16Elastomere und Polymerwerkstoffphysik 17Verbundwerkstoffe 18Struktur, Mechanik und Fadenbildung 19
Biomimetische Grenzflächen und Matrices 20Matrix Engineering 21Hämokompatible Grenzflächen 22Ladung und Struktur von Bio-Grenzflächen 23
Forschungstechnik 24Standort 25
Die das IPF auszeichnende Kombination vonnatur- und ingenieurwissenschaftlicher Kom-petenz und die moderne Geräte- und Anlagen-technik ermöglichen eine ganzheitliche mate-rialwissenschaftliche Forschung von derSynthese und Modifizierung polymerer Materi-alien über die Charakterisierung, theoretischeDurchdringung, Verarbeitung und Prüfung biszur Steuerung der Eigenschaften von Polymer-materialien, Biomaterialien und Verbundwerk-stoffen durch gezielte Grenzflächengestaltung.Dadurch können Fragestellungen und Anforde-rungen an neuartige und verbesserte Polymer-materialien bis zur Überführung in ein wirt-schaftlich genutztes Produkt begleitet werden.
Unsere Aufgabe Standort und Netzwerke
2 3
Das Leibniz-Institut für PolymerforschungDresden e. V. (IPF) ist eine der größten Poly-merforschungseinrichtungen in Deutschland.Als Institut der Leibniz-Gemeinschaft ist es deranwendungsorientierten Grundlagenforschungverpflichtet und erhält seine Grundfinanzie-rung zu gleichen Teilen von Bund und Ländern.
Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf derErarbeitung der wissenschaftlichen Grund-lagen für die Entwicklung von polymeren Funk-tionsmaterialien und Polymerwerkstoffen mitneuartigen oder verbesserten Eigenschaftensowie die Kombination der Materialentwick-lung mit innovativen und nachhaltigen Herstel-lungs- und Verarbeitungstechnologien. DieseMaterialien sind notwendig und zugleich Trieb-kraft für die Entwicklung neuer Technologienund Systemlösungen in der Medizintechnik,der modernen Kommunikationstechnik, Daten-speicherung und -verarbeitung sowie der Ver-kehrs- und Energietechnik. Die Forscher amIPF zielen hierbei auf das Verständnis vonGrenzflächeneffekten und die Nutzung desGrenzflächendesigns bei der Materialentwick-lung, wobei sowohl nanotechnologische Aspek-te als auch die Grenzflächen zu Biosystemenvon hoher Bedeutung sind.
„Regenerative Therapien“ weiter ausbauenkönnen. Hier ist das IPF insbesondere mit denAktivitäten am Max-Bergmann-Zentrum fürBiomaterialien ein wichtiger Partner. Aus derVerbindung von Materialforschung und Lebens-wissenschaften ergeben sich einzigartigeSynergien und Potentiale für internationalführende Forschung und hoch interessante Anwendungsperspektiven. Ähnliches gilt fürdie Zusammenarbeit der Dresdner Material-forscher mit der Mikroelektronik-Industrie, diein Silicon Saxony einen führenden Standortentwickelt hat.
Mit seiner auf einem breiten Grundlagenver-ständnis basierenden anwendungsorientiertenForschung ist das IPF ein gesuchter Partner inProjekten mit der Industrie Über 1,5 Mio EURDrittmittel werden jährlich direkt aus der In-dustrie eingeworben, mithin ca. 25 % des Dritt-mittelaufkommens des Instituts. Zur direktenkommerziellen Verwertung von Ergebnissenwurden bisher zwei Technologieunternehmenausgegründet. Der polymerherstellenden undkunststoffverarbeitenden Industrie steht dasInstitut auch beratend zur Seite, wobei regio-nale und überregionale Netzwerke Kontaktan-bahnung und Transfer von Know-How unter-stützen.
Internationalität ist schon längst Selbstver-ständlichkeit: Kooperationen mit Einrichtungenrund um den Globus bringen es mit sich, dassständig Gastwissenschaftler aus bis zu 30 Län-dern für unterschiedliche Zeiträume am IPFtätig sind und IPF-Mitarbeiter zu Gastaufenthal-ten ins Ausland gehen. Die Beteiligung an meh-reren von der Europäischen Union gefördertenForschungsverbünden beweist die internationaleAnerkennung des Instituts und erschließt neueFormen der Zusammenarbeit in Europa. Ausdem Network of Excellence „Nanostructuredand Functional Polymer Based Materials andNanocomposites“ (NANOFUN-POLY) herauswurde das European Centre for NanostructuredPolymers (ECNP) gegründet, um die begonneneForschungsvernetzung auf diesem Gebiet aufeine dauerhafte und tragfähige Basis zu stellen.
Fest verankert am Forschungsstandort Dresdenund eng vernetzt mit Forschergruppen weltweit– so lässt sich die Position des IPF in der globa-lisierten Forschungslandschaft beschreiben.
Die sächsische Landeshauptstadt besitzt eineungewöhnlich hohe Dichte von Forschungsein-richtungen. Die Technische Universität Dresdensowie Institute der Leibniz-Gemeinschaft, derMax-Planck-Gesellschaft und der Fraunhofer-Gesellschaft machen Dresden zu einem führen-den Standort insbesondere in Materialforschung,Mikroelektronik und Biotechnologie. Kompeten-zen und Kapazitäten auf dem Gebiet der Werk-stoffe sind im MaterialforschungsverbundDresden gebündelt, in dem 20 universitäre undaußeruniversitäre Einrichtungen mit derzeit ca.2000 Mitarbeitern zusammengeschlossen sind.
Eng verknüpft ist das IPF mit der TechnischenUniversität Dresden. Die Teilinstitutsleiter amIPF sowie der Leiter der Theorie-Arbeitsgruppe(seit 2006) und des Forschungsbereichs Bio-funktionelle Polymere (geplant ab 2007) sindüber gemeinsame Berufungen gleichzeitigProfessoren an der Universität und unmittelbarin die Lehre einbezogen. Am Institut arbeitenStudenten verschiedener Fachrichtungen alsPraktikanten, Diplomanden oder Promotions-studenten an Forschungsprojekten mit. Von IPF und TUD gemeinsam installiert wurde das Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien,das unter einem Dach Aktivitäten beider Ein-richtungen auf dem Gebiet des Molecular Bio-engineering zusammenführt. Gemeinschaftlichinitiiert und bearbeitet wurden bzw. werdenauch mehrere Sonderforschungsbereiche,Schwerpunktprogramme und Forschergruppender Deutschen Forschungsgemeinschaft. Da-neben ist das IPF über Honorarprofessuren undVorlesungstätigkeit auch mit anderen Univer-sitäten sowie Fachhochschulen verbunden.
Für die dynamische Entwicklung von Lebens-wissenschaften und Biotechnologie in den letz-ten Jahren stehen das Exzellenzcluster „FromCells to Tissues to Therapies“ und die „DresdenInternational Graduate School for Biomedicineand Bioengineering“, die innerhalb der Exzel-lenzinitiative der Bundesregierung etabliertwurden und mit denen die TU Dresden und ihreaußeruniversitären Partner die Aktivitäten des2006 eingerichteten DFG-Forschungszentrums
Multifunktionale Polymerarchitekturen
Prof. Dr. Brigitte Voit
Tel. (0351) 46 58-590
Zur Synthese komplexer, multifunktionalerPolymersysteme mit angepassten Eigen-schaftsprofilen für spezifische Anwendungenwerden unterschiedliche Ansätze verfolgt:
Verzweigte Polymerarchitekturen – Anwendung neuartiger Synthesemethoden
zum Aufbau von verzweigten Architekturen ineinem oder mehreren Schritten, genaue Ein-stellung der Verzweigungsdichte und der Natur der Endgruppen
– Ausnutzung des durch Verzweigung und erhöhte Funktionalität über die Endgruppen bestimmten Eigenschaftsprofils in Anwen-dungen wie Reaktivabmischungen (z. B. in Beschichtungen), als Funktionsmaterialien in dünnen Schichten oder beim Aufbau von Nanohybridmaterialien
Funktionelle Hydrogele– Gezielte Einstellung von Eigenschaften, auch
mit amphiphilen, stimuli-responsiven oder sogar molekular geprägtem Charakter, über Copolymerisation und Kombination von Synthesemethoden
– Immobilisierung und Anwendung funktio-neller Hydrogele und Copolymere z. B. in bioaktiven Schichten unter Ausnutzung verschiedener Oberflächen-Verankerungs-methodiken
Definierte Polymerarchitekturen und multi- und biofunktionale Polymere
Prof. Dr. Brigitte Voit
Tel. (0351) 46 58-590
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Bioaktive und biofunktionalisierte Polymere– Synthese von Polymeren und Hydrogelen mit
kovalent oder physikalisch gebunden bio-aktiven und biologischen Komponenten und Untersuchungen zu deren Anwendung in bioaktiven Oberflächen zur Zellzüchtung, als blutkompatible Beschichtungen oder zur Unterdrückung des Biofoulings in Koopera-tion mit den Gruppen des Max-Bergmann-Zentrums
– Herstellung und Entwicklung von wasser-löslichen multifunktionalen Biohybridstruk-turen und bioaktiven Polymersysteme mit (Oligo-)saccharideinheiten, die als Carrier- und Polyelektrolytsysteme eingesetzt werden; Studium der Wechselwirkungen mit Proteinen, Zellmembranen und DNA-Mole-külen
Optisch und thermisch sensitive Polymermaterialien – Erzeugung von Copolymeren mit optisch und
thermisch sensitiven Funktionalitäten und schaltbaren Eigenschaften, u. a. durch denEinbau photolabiler Schutzgruppen in geeig-nete Monomere
– Anwendung der funktionellen (Co)polymere an Oberflächen oder Grenzflächen als dünne lateral strukturierbare Schichten z. B. in Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Sensorik
Nicht-kovalente Wechselwirkungen– Nutzung von nicht-kovalenten Wechsel-
wirkungen zur exakten Einstellung von neuen Materialeigenschaften bei Polymer-aufbau, Polymermodifizierung und der Herstellung von Compositen und Hybriden
– Einstellung innerer Überstrukturen in einem Polymermaterial sowie Fixierung funktionel-ler Komponenten (z. B. Farbstoffe, leitfähige bzw. optisch aktive Nanopartikel) über Säure-Base- und ionische Wechselwirkungenoder über Wasserstoffbrückenbindungen
Phasenmorphologie in
einem dünnen Film
(20 nm) präpariert aus
einem Blockcopolymer
auf Basis von orthogonal
geschützten p-Hydro-
xystyrolsegmenten und
hergestellt über kontrol-
lierte Nitroxid-mediierte
radikalische Polymeri-
sation
Moderne Technologien erfordern Materialienmit genau definierten neuartigen Eigenschaftenund Funktionalitäten. Polymere besitzen hierein ungeheures Potential: Sie lassen sich füreine unüberschaubare Vielzahl von Anwendun-gen maßschneidern. Voraussetzung dafür undgleichzeitig Herausforderung sind dabei dieexakte Kontrolle der Architektur, Funktionali-tät und Nanostruktur in polymeren Materialienüber die Synthesestrategie sowie ein vollstän-diges Verständnis der Zusammenhänge zwi-schen chemischer Struktur bzw. Architekturund den Materialeigenschaften.
Angestrebt werden z. B. polymere Materia-lien mit einer Multifunktionalität, die als hoch-effektive Additive Materialien optimieren odergezielt in einem Bauteil auf Mikro- und Nano-ebene adressierbar sind, hohe Selektivität und schnelle Ansprechzeiten von stimuli-responsiven Polymeren für Sensoren, Aktorenund katalytisch bzw. biologisch aktiven Poly-meren sowie eine hohe und langzeitstabileBiokompatibilität bzw. optimierte Bioaktivitätvon synthetischen Polymeren und Biohybridenfür medizinische Anwendungen
Für die Erzeugung solcher multifunktionalerPolymerarchitekturen steht eine breite Palettean Methodiken zur kontrollierten Synthese vonPolymeren zur Verfügung, wie z. B. anionischeund kontrollierte radikalische Polymerisation,Metallocenpolymerisation, aber auch Hoch-temperaturpolykondensation, die durch eineanspruchsvolle Polymeranalytik ergänztwerden.
Sphärische Molekülform
eines Zweite-Generation-
Poly(propylenimin)-Den-
drimers mit 16 Maltose-
einheiten
Allgemeines Struktur-
modell semifluorierter
Polymere
Angestrebt sind die Kontrolle der Nanostrukturund Morphologie von Polymeren im Festkörperund an der Oberfläche über die Chemie und diePolymersynthesestrategie sowie das Verständ-nis der daraus resultierenden makroskopischenEigenschaften.
Herstellung von nanostrukturierten Blockcopolymeren– Kontrollierte Synthese von nanophasen-
separierten Di- und Triblockcopolymeren, segmentierten Blockcopolymeren und Pfropfcopolymeren
– Untersuchungen zum Verständnis der Nano-phasenseparation unter Einbeziehung von Inline-Monitoring-Techniken und unterstützt durch Mean-Field-Modellierung
– Aufklärung des Einflusses der Nanophasen-separation auf die makroskopischen Eigen-schaften, insbesondere das für viele Anwen-dungen (Mikroelektronik, Nanolithografie, Template) interessante makroskopische Benetzungsverhalten
Polymere mit spezifischen Oberflächen-eigenschaften Entwicklung von Polymeren mit spezifischen Oberflächeneigenschaften (hydrophil/polar und hydrophob) unter Nutzung des Konzepts der Entmischung im Nanometerbereich und der Selbstorganisation sowie der Oberflächen-segregation
Nanocomposites und Nanohybride– Präparation spezieller polarer Polymere
sowie organische/polymere Oberflächen-modifizierung von anorganischen und metallischen Nanoobjekten und -füllstoffenzur Erzielung besserer Wechselwirkung bzw. Phasenanbindung in Hybrid- und Composite-Werkstoffen
– Synthese von funktionellen Additiven und Compatibilizern zur Herstellung von mehrfunktionalen Nanocomposites und Nanohybriden mit maßgeschneiderten Eigenschaften, z. B. spezielle optische und elektrische Eigenschaften
Nanostruktur- und Morphologiekontrolle mittels Polymersynthese
Dr. Doris Pospiech
Tel. (0351) 46 58-497
Elektrogesponnene Fasern aus einem phosphorhaltigen
aromatischen Polysulfon (Bild: T. Long, Blacksburg, USA)
6 7
Exzellent ausgestattete
Laboratorien ermöglichen
komplexe präparative
Arbeiten
(Poly)reaktionen in der Schmelze und der Verarbeitung
Dr. Frank Böhme
Tel. (o351) 46 58-298
Reaktive PolymereSynthese reaktiver Polymere, deren Einsatz inMehrkomponentensystemen sowie Unter-suchungen zum Ausmaß ihrer chemischenReaktionen und deren Wirkung auf Multifunk-tionalität
Multifunktionale Polykondensate Darstellung multifunktionaler Polykondensatemit reaktiven oder zu selektiver Wechselwirkungbefähigten Gruppen über verschiedene Verfah-ren der Schmelzepolykondensationen undvariable Einstellung von Funktionseigenschaftenüber nachfolgende Modifizierungsreaktionenan den Endgruppen oder über spezifischeWechselwirkungen mit niedermolekularenVerbindungen
Einfluss der Kautschukreaktivität auf die Phasen-
morphologie von Kautschuk-Epoxidharzmischungen
oben: Mischung mit einem nichtreaktiven Kautschuk,
unten: Mischung mit einem reaktiven Kautschuk
Mikroskopische Untersuchungen der Morphologie von
Polymerblends
Anliegen der chemisch orientierten Arbeiten indem Bereich der reaktiven Verarbeitung undder Materialherstellung/Modifizierung in derSchmelze ist es, Schmelzereaktionen gezieltfür die Darstellung multifunktionaler Polymereauszunutzen. Hierbei kommt es vor allemdarauf an, den Besonderheiten von Schmelze-reaktionen wie hohe Viskosität, Auftreten vonNebenreaktionen bei hohen Reaktionstempe-raturen sowie Abführung eventuell anfallenderKondensate Rechnung zu tragen. Reaktionensollen so definiert wie möglich geführt werden,um die Strukturen multifunktionaler Polymereähnlich wie bei Reaktionen in Lösungsmittelnmaßschneidern zu können.
Multifunktionelle Kopplungsagenzien – Synthese multifunktioneller Kopplungs-
agenzien mit mindestens zwei unterschied-lichen reaktiven Gruppen, die selektiv und unabhängig voneinander reagieren
– Einsatz derartiger Verbindungen u. a. als reaktive Verträglichkeitsvermittler in Polymerblends, bei der Synthese von segmentierten Blockcopolymeren und zur Funktionalisierung von Grenzschichten
– Gewinnung von Know-how bezüglich der dabei ablaufenden Reaktionen als Grundlagefür neue Methoden zur variablen Polymer-modifizierung in Schmelze
Laboranlage zur Polykondensation in Schmelze
8
Polymeranalytik
Dr. Klaus-Jochen Eichhorn
Tel. (0351) 46 58-256
Zur Charakterisierung der molekularen undübermolekularen Struktur neu synthetisierterbzw. modifizierter Polymersysteme sindumfangreiche methodische Erfahrungen sowiedie notwendige moderne gerätetechnischeAusstattung verfügbar. Die Methoden kommeneinzeln oder in Kombination zum Einsatz,wobei auch Methodenanpassung und -weiter-entwicklung entsprechend der jeweiligen ana-lytischen Aufgabenstellung betrieben wird.
Primär- und Sekundärstrukturaufklärung von komplexen und funktionellen Polymer-architekturen im Bulk und in dünnen Filmen– Aufklärung der chemischen Struktur der
Monomere und Polymere, der Kettenkonfor-mation und -konfiguration, von Degradations-und Vernetzungsphänomenen sowie von molekularen und übermolekularen Wechsel-wirkungen in verschiedenen Medien mit spektroskopischen (NMR, IR, Raman), chromatographischen (Headspace- und Pyrolyse-GC/MS) und thermoanalytischen (TGA, TGA/IR, DSC) Methoden sowie Elemen-taranalyse
– Untersuchungen zu Reaktivität, Funktiona-litäten, Phasenverhalten, Ordnung und Orientierung
– Optimierung der schwingungsspektrosko-pischen und spektralellipsometrischen Charakterisierung (ex situ und in situ) von dünnen homogenen und heterogenen/mikro-strukturierten organischen Filmen auf metallischen und dielektrischen Festkörper-oberflächen
Analyse von flüchtigen Produkten während des Auf-
heizens von Polymeren mittels gekoppelter Thermo-
gravimetrie/IR-Spektroskopie
In-situ-Spektralellipsometrie an „schaltbaren“ Hydro-
gelschichten in einer temperaturprogrammierbaren
Flüssigkeitsmesszelle
Monitoring der Synthese
von hochverzweigten
Poly(urethanharnstoffen)
mit in situ IR-Spektros-
kopie
Funktionelle und nanostrukturierte Polymergrenzflächen
Prof. Dr. Manfred Stamm
Tel. (0351) 46 58-225
Die Eigenschaften von polymeren Materialienwerden nicht nur durch die Chemie und dieallgemeinen Materialeigenschaften bestimmt.Oft spielen Grenzflächen und innere Struktureine entscheidende Rolle, die durch diePräparation bestimmt werden, und so ist einbesseres physiko-chemisches Verständnis derGrenzflächen und der Struktur auf nano-skopischer Ebene die Voraussetzung für dieSteuerung und Optimierung der Eigenschaftenvon polymeren Materialien. Aufbauend auf derumfassenden Charakterisierung von Grenzflä-chen und Nanostruktur soll eine Beschreibungund zielgerechte Gestaltung von Grenzflächenund Struktur und den damit verbundenenEigenschaften erreicht werden.
Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen Herstel-lung und Charakterisierung funktioneller undnanostrukturierter dünner Polymerfilme,Oberflächen und Nanohybride, aber auch vonnanoskalischen Funktionselementen. Dabeiwird dem grundlegenden Verständnis vonStruktur-Eigenschafts-Beziehungen vomEinzelmolekül über supramolekulare teilsselbstorganisierte Strukturen bis hin zumakroskopischen Grenzflächeneigenschaftengroße Bedeutung eingeräumt.
9
Strukturuntersuchungen/Molmassenbe-stimmung von multifunktionalen Polymerenin Lösung– Charakterisierung von Löseverhaltens, Mol-
masse und Molmasseverteilung von linearenund unterschiedlich verzweigten Polymeren durch Kombination von analytischen Techni-ken (u.a. Größenausschlusschromatographiemit verschiedenen Detektorkombinationen, halbpräparative Fraktionierung) unter Einbe-ziehung molekulardynamischer Simulationen
– Molekulare Charakterisierung von Poly-olefinen und analogen Polymersystemen mittels Hochtemperatur-Gelpermeations-chromatographie (GPC)
In-line-Monitoring von Polymerreaktionen– Verfolgung von Polymersynthesen und poly-
meranalogen Umsetzungen in der Schmelze und in Lösung im Labor- und im Technikums-maßstab mittels In-situ-ATR-IR- und Raman-Spektroskopie in Kombination mit Offline-NMR und SEC
– Qualitative (Mechanismus, Nebenreaktionen)und quantitative (Umsatz, Kinetik) Auswer-tung unter Einbeziehung chemometrischer Methoden
– Inline Prozessanalytik von Polymersystemen(Composites, Blends, Polymer/Additiv-Syste-me) bei der Verarbeitung mittels UV/VIS-, NIR-, Raman- und Ultraschall-Spektroskopie
11
Methoden– Oberflächenspektroskopie
(Röntgenphotoelektronenspektroskopie)– Direkte Kraftmessungen auf molekularem
Niveau mittels Rasterkraftmikroskopie– Benetzungs- und Ober(Grenz)flächenspan-
nungsmessungen durch Tropfenprofil-analysen und Wilhelmy-Technik, einschließlich Polymerschmelzen
– Bestimmung der Grenzflächenladung (Elektrokinetik) durch Strömungspotential-und Elektrophoresemessungen auch in konzentrierten Systemen (Akustophorese)
– Partikelgrößenanalyse mittels dynamischer Lichtstreuung und akustischer Dämpfung
– Charakterisierung der Oberflächenmorpho-logie (Rauheit) mittels Rasterkraftmikros-kopie und optischer Verfahren (Sensor auf Basis chromatischer Aberration )
– Bestimmung der spezifischen Oberfläche und Porenanalyse durch Tieftemperatur-Gasadsorption
– Adsorption und Desorption von Flüssigkeits-dämpfen, z. B. Wasserdampf, organische Lösungsmittel
– Invers-Gaschromatographie (Bestimmung: Oberflächenenergie, Säure-Base-Eigen-schaften)
– Null-Ellipsometrie (Adsorptionsschichten)
Funktionalisierung und Charakterisierung von Grenzflächen
Dr. Karina Grundke
Tel. (0351) 46 58-475
Messung von Partikel-
größen und Zetapotential
in Suspensionen
Abperlende Wassertropfen auf einer ultrahydrohphob
ausgerüsteten Aluminiumoberfläche (Bild: K. Tittes,
Nehlsen Flugzeuggalvanik GmbH)
Temperaturgesteuerte
Flüssigmesszelle für
Benetzungsmessungen
durch inverse Tropfen-
profilanalyse (captive
bubble): Luftblase an
hydrophiler Oberfläche
Imaging-XPS: Abbildung
des Ag 3d-Peaks eines
Silbernetzchens für die
Elektronenmikroskopie
Auf Basis einer umfassenden Charakterisierungvon Grenzflächen hinsichtlich ihrer chemischenZusammensetzung, Reaktivität und Morphologiesowie der von ihnen ausgehenden Wechselwir-kungskräfte werden die molekularen Ursachenvon Benetzungs-, Adhäsions- und Adsorptions-prozessen aufgeklärt. Ziel ist die Einstellungund Kontrolle dieser makroskopischen Grenz-flächenphänomene durch eine Funktionalisie-rung der Oberflächen. Die Grundlagenunter-suchungen dienen als Basis zur Entwicklungoptimierter Verfahren und Materialien u. a. beiLackierprozessen, Ultrahydrophob-Beschich-tungen, Verbundbildung, Kunststoffrecycling,Dispergier- und Koagulationsprozessen, Vor-gängen in der Textilveredlung sowie Prozessenin der Mikroelektronik.
Erzeugung von funktionalisierten Oberflächen– Chemische Modifizierung von Oberflächen
durch dünne Polymerfilme – Oberflächenstrukturierung auf der Mikro-
und Nanometer-Skala – Einstellung von Oberflächeneigenschaften
durch Adsorption grenzflächenaktiver Moleküle, insbesondere Tenside
Entwicklung und Kombination von speziellenMethoden zur Grenzflächencharakterisierung – In-situ-Messungen, u. a. zur Bestimmung
der Oberflächenspannung und Benetzung von Polymeren (auch reaktive Mehrkompo-nentensysteme)
– Kopplung von In-situ-Methoden (ADSA-TRIS)z. B. zur Charakterisierung der Adsorptionvon Tensiden und Proteinen
– Kombination von Grenzflächenspannungs-messung und spektroskopischen Methoden (XPS, TRIS)
– Kombination elektrokinetischer Messungen mit direkten Kraftmessungen (AFM-Colloid- Probe-Technik) und Benetzungsmessungen
10
Topographie-Bild eines
porösen Blockcopolymer-
Nanotemplates
Präparation von dünnen
Schichten mittels
Spincoater (Titelbild)
Durch die Verwendung von Selbstorganisations-Prozessen bis hin zur Einzelmolekül-Manipu-lation werden Nanostrukturen an Grenzflächenund in dünnen Filmen sowie Strukturen aufverschiedenen Größenskalen hergestellt.
Geordnete Blockcopolymernanostrukturen Nutzung geordneter Nanostrukturen vonBlockcopolymeren an Grenzflächen zur Her-stellung magnetisch und optisch aktiver Filme– Herstellung von selbstorganisierten und
geordneten Blockcopolymer-Nanotemplaten – Beladung mit aktiven Stoffen (Metalle oder
Nanopartikel) zur Herstellung von Nano-materialien
– Nutzung als Lithografie-Masken oder zur Herstellung geordneter funktioneller Nanostrukturfilme
– Copolymerstrukturen zur Herstellung geordneter magnetischer Nanohybride und -arrays
Einzelmoleküle Untersuchung und Manipulation einzelneradsorbierter Polymermoleküle an Oberflächenmit dem Ziel, spezielle Funktionen auf einermolekularen Längenskala einstellen zu können– Grundlegende Untersuchungen von adsor-
bierten Einzelmolekülen an Grenzflächen– Herstellung und Charakterisierung von
nanoelektronischen Bauelementen (Transistoren etc.) mit Polymer-Einzel-molekülen
Polymerbürsten Funktionelle und/oder schaltbare bzw. adaptiveGrenzflächen unter Verwendung von gemischten Polymerbürsten und Copolymeren– Herstellung und Untersuchung von adaptiven
Oberflächenfunktionen (teils mit Eigen-schaftsgradienten) beispielsweise zur Steuerung der Benetzung und Adsorption
– Schalten der Oberflächeneigenschaften mit Temperatur, Löslichkeit, pH-Wert, Ionen-stärke
– Steuerung der Wechselwirkung von funktionellen Polymerschichten mit Nano- und Mikropartikeln sowie (Bio)polymeren beispielsweise für Sensoren oder Bio-Adsorption
Nanoröhren aus Multischichten Aufrollen von Polymer-Multischichten in selektiven Lösungsmitteln zu funktionellenNanoröhren– Herstellung von Mikro- und Nanoröhren mit
Funktionalisierung der inneren Oberfläche – Anwendung für die Herstellung von Nano-
tropfen sowie Nanodüsen für Tintenstrahl-drucker
Methoden– Rasterkraftmikroskopie zur Abbildung von
Einzelmolekülen und Nanostrukturen – Ellipsometrie zur Schichtdickenbestimmung
und Adsorption– Röntgenmethoden (SAXS, WAXS, Reflektome-
trie) zur multiskaligen Strukturbestimmung – Kombination der Röntgentechniken mit Ver-
streckeinrichtung, Rheologie, Temperierung– Synchrotrontechniken (XPEEM, USAXS,
GISAXS, rasternde Röntgenmikroskopie) zur Bestimmung von Oberflächen- und Bulk-Strukturen (mit BESSY, HASYLAB und ESRF)
– Transmissions-Elektronen-Mikroskopie zur Morphologiebestimmung (mit TUD)
– Mikrofluidik-Sensor zur Analyse der Adsorption und des Durchflusses in einer Mikrofluidikzelle
– Fluoreszensmikroskop zur Analyse von Nanopartikeladsorption und Kinetik
Topographie eines Poly-
pyrrol-Nanodrahtes mit
einem Widerstand von
ca. 1 MO.
Nanostrukturierte Grenzflächen und dünne Filme
Prof. Dr. Manfred Stamm
Tel. (0351) 46 58-225
Dr. Petra Uhlmann
Tel. (0351) 46 58-236
Polymere Doppelschicht, bei der die Dicke der unteren
und oberen Schicht in X- und Y-Dimension jeweils
zunimmt. Zweidimensionale Gradienten erlauben die
12 13
Kugelförmige Poly
(P-Lysin)-haltige Poly-
elektrolytkomplexpartikel
in geknäuelter Konfor-
mation, (Durchmesser
230–380 nm)
Elektrostatische Wechsel-
wirkung als treibende
Kraft bei der Sorption
kleiner Moleküle
– Ladungsbestimmung von Molekülen und Komplexen mit Elektrophorese-NMR
– Charakterisierung von dynamischen Kom-plexen und Ligandenbindung mit NMR-Ver-fahren
– Spektroskopische (IR und NMR) Bestimmungvon Stöchiometrie, Dissoziationsgrad, Wasserstoffbrücken, Konformation, Orien-tierung, Überstrukturen
– Bestimmung von Morphologie und Partikel-form in Dispersionen
– Analyse des Feststoffanteils in Dispersionen– Charakterisierung von Membranen und ein-
geschränkter Diffusion
Geladene Polymersysteme im Kontakt mit Wasser
Dr. Ulrich Scheler
Tel. (0351) 46 58-275
Das Wechselspiel zwischen elektrostatischerund dispersiver Wechselwirkung wird ausge-nutzt, um das Bindungsvermögen für Proteineund Wirkstoffe in Dispersionen und an festenOberflächen, die Stabilität von Dispersionen unddie Selektivität und Trenneigenschaften vonMembranen einzustellen. Die dafür wesent-lichen Oberflächeneigenschaften werden maß-geblich durch elektrostatische und hydrophobeWechselwirkung beeinflusst. Diese werdenmittels Polyelektrolyten, Polyelektrolytmulti-schichten und Polyelektrolytkomplexen einge-stellt. Untersucht werden vorrangig Polyelek-trolytkomplexe und dispergierte Systeme sowiePolyelektrolytmultischichten und Membranen.Für die Charakterisierung der eingesetztenMaterialien werden spektroskopische Methoden,insbesondere NMR-Methoden, weiterentwickelt.
Synthesen neuer Polymere und Polyelektrolyte – Synthese und Charakterisierung von neu-
artigen Polymeren/Modellpolyelektrolyten für den Einsatz in Membranen
– Erprobung von Membranen für Brennstoff-zellen und Wasseraufbereitung
Präparation von Multischichten und Komplexen – Herstellung von stabilen Polyelektrolytkom-
plex-Partikeln einer engen Größenverteilungzur Einstellung von Oberflächeneigenschaftenund Dispersionsstabilität mit hoher Toleranz gegenüber dem umgebenden Medium
– Erzeugung von steuerbaren Oberflächen aus Polyelektrolytmultischichten für die Protein-adsoption und Antifouling-Ausrüstung von Membranen
Strahlenchemische Modifizierung Erzeugung von funktionellen Gruppen annormalerweise inerten Fluorpolymeren durchVariation von Behandlungsbedingungen undAtmosphäre bei Elektronenbestrahlung undPlasmabehandlung
Umfassende Charakterisierung der Systeme – Bestimmung hydrodynamischer Größen in
Lösung und Dispersion (Angström bis Milli-meter, mittels optischer Verfahren und Pulsed-Field-Gradient-NMR)
– Messung des Zetapotentials an Schichten und Partikeln
Eigenentwicklung aus dem IPF: Probenkopf für
Elektrophorese-NMR. Mit Elektrophorese-NMR wird
die Ladung von Molekülen und Komplexen bestimmt.
AFM-Bilder von adsorbierten Polyelektrolytkomplexen
aus Maleinsäureanhydrid-Copolymeren mit verschie-
den hydrophoben Conomomeren. Die Hydrophobie der
Comonomere beeinflusst die Partikelform.
Eingefrorene Dichte-
fluktuationen in einem
Netzwerk: gemittelte
Dichteverteilung eines
gequollenen Polymer-
netzwerks. (Farbskala:
lokale Dichte; Ausdeh-
nung der Inhomogenitä-
ten ca. 30 nm)
Nano-Strukturbildung in
einer binären Polymer-
bürste. Die Wechselwir-
kung zwischen den
Monomeren unterschied-
licher Arten führt zu
Entmischungserschei-
nungen (Musterbildung)
im Nanometerbereich.
In enger Verknüpfung von Experiment, analy-tischer Theorie und Simulation werden Struk-tur-Eigenschafts-Relationen und Prozesse inpolymeren Systemen mathematisch undnumerisch untersucht und mit Hilfe von Com-puter-Simulationen detaillierte Informationenüber komplexe Polymersysteme gewonnen.
– Untersuchung von Wechselwirkungseffekten zwischen Polymeren und Oberflächen bzw. zwischen verschiedenen Polymerketten als Grundlage für das Verständnis von Phasen-trennmechanismen und dynamischen Struk-turbildungsmechanismen mit potentiellen Anwendungen u. a. bei der Herstellung von dünnen Polymerfilmen als „Vorlagen“ für Nanostrukturen bzw. von biologisch funktio-nalisierten Oberflächen
– Mathematische Beschreibung von Polymer-schichten und Wechselwirkungen zwischen mehreren adsorbierenden Grenzflächen bzw.Oberflächen (nichtlineare Differential-gleichungen, Funktionentheorie, Numerik), sowie die analytische und numerische Unter-suchung des statischen und dynamischen Verhaltens von Polymerketten auf nano-strukturierten Substraten
– Zeitaufgelöste Untersuchung und Simulationvon Polymerbürsten-Strukturen mit Hilfe derMolekulardynamik für ein vertieftes Ver-ständnis der Musterbildungsprozesse in binären Polymerbürsten und von deren Reaktion auf die Veränderung äußerer Bedingungen
– Analyse der Topologie von polymeren Netz-werken und Beschreibung hochverzweigter Polymerstrukturen durch analytische Modellrechnungen und Computersimulation
– Untersuchung des Kristallisationsverhaltens von Polymeren unter Benutzung von analyti-schen Modellen und Computer-Simulationen
Theorie der Polymere
Prof. Dr.
Jens-Uwe Sommer
Tel. (0351) 4658-379
Dichteprofile einer Polymerkette während eines irrever-
siblen Adsorptionsprozesses zu verschiedenen Zeiten
(von oben links nach unten rechts).
Momentaufnahme einer Polymerbürste. Alle Ketten
sind mit einem Endmonomer an der Oberfläche ver-
ankert. Die Farbwahl dient zur Unterscheidung der
Einzelketten.
Polymere Funktionswerkstoffe
Prof. Dr. Gert Heinrich
Tel. (0351) 46 58-361
Die Entwicklung von neuen Polymermaterialienals Konstruktions- und Funktionswerkstoffefür spezielle Einsatzzwecke basiert heutevorwiegend auf bereits etablierten Polymerenund deren Modifizierung durch geeigneteFunktionalisierung und Kopplung. EineHerausforderung an die Forschung ist dabeidie Erarbeitung eines wissenschaftlichen Gesamtkonzeptes, das die gesamte Skala vomMolekül zum Bauteil einschließt. In inter-disziplinärer Zusammenarbeit von Natur-wissenschaftlern und Ingenieuren wird einAnsatz verfolgt, der Materialdesign, Werk-stoffherstellung und -verarbeitung, Ingenieur-technik, Inline-Monitoring, umfassendeCharakterisierung und Polymerwerkstoff-modellierung als integrative Einheit auffasst.
An heterogenen bzw. mehrphasigen Poly-merwerkstoffen, wie Faserverbundwerkstoffen,Blends und gefüllten Elastomeren, wird derEinfluss physikalischer und chemischerKenngrößen auf die Morphologie und damit die Eigenschaften von Materialien und ihrVerarbeitungsverhalten untersucht. Aus derZusammenführung von Grundlagenuntersu-chungen und Verarbeitungsversuchen unterindustrienahen Bedingungen entsteht einesehr fruchtbare Wechselwirkung, die zu-sammen mit den gewachsenen spezifischenKompetenzen auf den Gebieten des Schmelz-spinnens von Polymeren und Glas, derstrahlenchemischen Modifizierung von Poly-merwerkstoffen, der reaktiven Verarbeitungund des Online-Monitoring vielfältige Chancenfür Material- und Verfahrensinnovationeneröffnet.
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Aluminium-Testbauteil,
an dem neue Pulverlack-
filme komplexen Umform-
bedingungen ausgesetzt
wurden: Die Lackschicht
hält der Umformung her-
vorragend stand und ist
von unvermindert hoher
Qualität.
Entwicklung, Anpassung und Einsatz chemi-scher Reaktionsprinzipien für technische Pro-zesse zur Entwicklung neuer Werkstoffe, zurEigenschaftsverbesserung bei kommerziellenKunststoffen sowie zur (Weiter-)Entwicklungvon Verfahren, insbesondere für
Thermisch kontrollierte Reaktionen in undmit technischen Polymermassen – Entwicklung umformstabiler Pulverlackfor-
mulierungen zur Beschichtung von Halb-zeugen und zur logistischen Neugestaltung von Verfahren
– Entwicklung niedrigtemperaturvernetzenderPulverlacke für Holzwerkstoffe
– Entwicklung und Anpassung von Pulver-lacksystemen zur Beschichtung von SMC
Grenzflächenreaktive Verarbeitungsprozessezur Erhöhung der Verbundhaftung – Untersuchung schneller Reaktionen an
Grenzflächen von Polymerschmelzen inklusive Modellierung und Simulation
– Oberflächenreaktives Spritzgießen zur In-situ-Oberflächenmodifizierung im Form-gebungsprozess für nachfolgendes Lackieren,Verkleben, Metallisieren
– Grenzflächenreaktives Spritzgießen zur Erhöhung der Verbundhaftung
– Verbunde aus vorbeschichteten und um-formbaren bzw. umgeformten Metallteilen (Bleche) mit Thermoplasten durch grenz-flächenreaktives Spritzgießen
Hochtemperatur-Elektronenbestrahlung von Thermoplasten und Kautschuken – Aufklärung der Reaktionsmechanismen,
Struktur- und Eigenschaftsveränderungen nach einer Elektronenstrahlaktivierung bei hohen Temperaturen
– Verfahrenstechnische Kopplung von Kunst-stoffaufbereitung oder -verarbeitung und Elektronenbestrahlung zu einem kontinuier-lichen Modifizierungsprozess
Schmelzemodifizierungsreaktionen: Chemische Kopplung von PTFE mit Polymeren – (Weiter-)Entwicklung chemisch gekoppelter
(Hochleistungs-)Kunststoff-PTFE-Materialieninsbesondere für tribologische Anwendungen
– Entwicklung speziell modifizierter PTFE-Nano-/Mikropulver als Additiv für chemisch gekoppelte Materialsysteme sowie als Additiv für spezielle Schmierstoffe
– Entwicklung von (Gleit-)Lacksystemen für Umformprozesse
Inline- und Online-Prozessanalyseverfahren– Entwicklung von Sensoren zur mikrophoto-
metrischen Reinheits- und Partikelanalyse inströmenden Kunststoffschmelzen
– Echtzeitnahe Detektion von Inhomogenitäten (Stippen, Gelteilchen, Blasen, Schlieren, Granulat- und Pulverreste, Agglomerate) in transparenten Schmelzen
– Adaption derartiger Sensoren an Extruder und Spritzgießmaschinen im Labor- und Industriemaßstab für die echtzeitnahe Prozess- und Produktkontrolle
Reaktive Verarbeitungsprozesse
Dr. Dieter Lehmann
Tel. (0351) 46 58-392
Kunststoffverarbeitungstechnikum für Forschungs-
arbeiten unter industrienahen Bedingungen
Adaption eines Sensors
für das Partikelmonito-
ring am Strangadapter
eines Einschnecken-
extruders
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17
Komposit aus Polycarbo-
nat mit mehrwandigen
Kohlenstoff-Nanoröhren
(Masterbatch mit 15
Gew.-%). Die Nanoröhren
sind mit dem Polymeren
gut benetzt und dadurch
voneinander separiert.
Brandtest UL 94 an
einem Polypropylen-
Schichtsilikat Nanocom-
posit mit 5 % Füllgrad
Einstellung definierter Werkstoffeigenschaftenund Eigenschaftskombinationen durch Nut-zung der Multi- und Nanoskaligkeit funktionel-ler Füllstoffe und gezielte Steuerung der Mor-phologien auf der Grundlage eines vertieftenVerständnisses der Morphologiebildungspro-zesse während der Verarbeitung.
Nanocomposite – Untersuchungen zur räumlichen Verteilung
und Ausrichtung von Kohlenstoff-Nanoröhrenin Polymerkompositen und deren Auswir-kungen auf elektrische, rheologische und mechanische Eigenschaften
– Aufklärung des Einflusses von Ausrichtung, Exfolierungsgrad und Verteilung von Schicht-silikaten auf die Diffusionseigenschaften
– Kombination von Flammhemmung und weiteren Eigenschaften wie z. B. Verstärkungoder UV-Beständigkeit mit modifizierten Layered Double Hydroxides (LDH)
Blends– Gezielte Einstellung von Phasenmorphologien
in mehrphasigen Polymerblends bei Schmelzemischprozessen durch Variation von stofflichen Bedingungen und unter Nutzung verschiedener Mechanismen zur Verträglichkeitsvermittlung
– Einbringen von Funktionalitäten (z. B. Leit-fähigkeit) in Grenzschichten oder Phasen mehrkomponentiger Polymerblends durch multifunktionelle Koppler (z. B. funktiona-lisierte Polypyrrole) oder Nanokomposit-phasen
Morphologiebildung und -aufklärung– In-situ-Prozesskontrolle von Polymer/Nano-
composite-Systemen (Nanohybride) währendder Extrusion mit UV/VIS-, NIR-, RAMAN- und Ultraschall-Spektroskopie zur Bestim-mung der Dispersion, Verteilung und Morphologie
– Aufklärung komplexer Strukturen hetero-gener Werkstoffe mittels Festkörper-NMR
Nanocomposite und Blends
Hon.-Prof. Dr.-Ing.
Udo Wagenknecht
Tel. (0351) 46 58-433
Herstellung neuartiger gefüllter Elastomerwerkstoffe
am Walzwerk
Organisch modifiziertes Schichtsilikat in Maleinsäure-
anhydrid gepfropften Polypropylen. Es liegen vollkom-
men exfolierte, interkalierte und Clusterspezies neben-
einander vor.
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Ziel ist die Einstellung definierter Elastomerei-genschaften durch Nutzung der Multi- undNanostrukturierung und chemischen Modifi-zierbarkeit industriell verfügbarer und insbe-sondere neuer funktioneller verstärkenderFüllstoffe. Angestrebt ist das Verständnis derphysikalischen Eigenschaften gefüllter undverschlaufter (entanglements) Polymernetz-werke und Polymerschmelzen unter anwen-dungsnahen Beanspruchungs- bzw. Verarbei-tungsbedingungen. Schwerpunkt ist dabei dieVerknüpfung praxisnaher werkstoffwissen-schaftlicher Aufgabenstellungen mit grund-sätzlichen physikalischen Fragestellungen imRahmen eines ‚Polymeren Soft Matter Engi-neering’ (PSME).
Elastomere– Entwicklung, Compoundierung, vulka-
metrische und werkstoffphysikalische Charakterisierung neuartiger elastomerer Nanokomposite vorzugsweise für technische Anwendungen im Automobilbereich. Ziel ist insbesondere eine frequenz- und temperaturselektive Verbesserung der dynamisch-mechanischen Werkstoffperformance
– Erarbeitung der wissenschaftlichen Grund-lagen zu praktisch umsetzbaren Konzepten einer Bruchmechanik für gefüllte Elastomer-blends. Zusammenführung von unterschied-lichen experimentellen Methoden und skalenübergreifenden Methoden der Model-lierung heterogener Elastomerwerkstoffe imRahmen einer bundesweiten DFG-Forscher-gruppe
– Charakterisierung der physikalischen Ober-flächen- bzw. Grenzflächeneigenschaften der Polymer- und Füllstoffkonstituenten in Elastomeren. Entwicklung von Methoden zurBestimmung der Füllstoffdispergierbarkeit in Polymeren
– Entwicklung gekoppelter Elastomer-PTFE-Materialien insbesondere für tribologische Anwendungen
– Serviceaufgaben; Elastomer- und Reifen-Consulting
Polymerwerkstoffphysik– Analytische Theorie und Statistische
Mechanik von gefüllten Polymernetzwerken– Dynamisch-Mechanische Spektroskopie von
Elastomerwerkstoffen– Physik der Hysterese- und Adhäsionsreibung
von Gummiwerkstoffen an heterogenen Grenzflächen
– Physikalische und nichtlinear rheologische Charakterisierung und Modellierung von verschlauften Polymer-Nanocomposit-Schmelzen
– Physik des Automobilreifens
Elastomere und Polymerwerkstoffphysik
Prof. Dr. Gert Heinrich
Tel. (0351) 46 58-361
Herstellung von Elastomermischungen am Walzwerk
Visualisierung eines
Polymernetzwerks
Bestimmung der visko-
elastischen Eigenschaften
mittels dynamisch
mechanischen Rheometer
Zusammenführung von
Glas- und Polypropylen-
filamenten an der Online-
Hybridspinnanlage
(Filamentdurchmesser
12 bzw. 25 µm)
Struktur, Mechanik und Fadenbildung
Struktur und Mechanik
Dr. Konrad Schneider
Tel. (0351) 46 58-296
Fadenbildung
Dr. Harald Brünig
Tel. (0351) 46 58-301
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Zur Entwicklung multifunktionaler oberflächen-modifizierter Verstärkungsfasern sowie neuerVerbundwerkstoffe werden ausgewählte An-sätze von der Faser bis zum Bauteil verfolgtsowie Mechanismen untersucht:
Oberflächenmodifizierung von Verstärkungsfasern– Online-Oberflächenmodifizierung spezieller
Glasfasern im kontinuierlichen Spinnprozess zum Erzeugen hochresistenter Oberflächen maßgeschneidert für spezielle polymere und anorganische Matrizes
– Ausheilen von Oberflächendefekten an Ver-stärkungsfasern durch nanostrukturierte Oberflächenmodifizierungen zur Festigkeits-steigerung und Verbesserung des Leistungs-vermögens sowie der Dauerhaftigkeit in Verbundwerkstoffen
– Erzeugen multifunktionaler nanostruktu-rierter Faseroberflächen über spezielle Schlichten sowie Polymerbeschichtungen
– Gezielte Steuerung der Morphologie/Trans-kristallinität der Grenzschichten durch Kon-zentration von Nanofasern sowie Nanoparti-keln in der Faseroberflächenmodifizierung
Grenzschichtcharakterisierung – Weiterentwicklung der quasistatischen
mikromechanischen Methoden – Erweiterung der Messbereiche der
zyklischen mikromechanischen Methoden– Rasterkraftmikroskopische Charakterisie-
rung der Grenzschichtmorphologie sowie der lokalen Grenzschichteigenschaften im Zu-sammenhang mit der Faser-Matrix-Haftung
– Rasterkraftmikroskopische Charakterisierungder Bruchflächenmorphologie nach mikro-mechanischen Untersuchungen zur Aufklä-rung des Zusammenhanges zwischen geo-metrischen und adhäsiven Charakteristiken
Neue Verbundtechnologien– Herstellung endlosverstärkter Thermoplaste
mit innovativen, online ersponnenen Hybrid-garnen aus Polymer- und Glasfilamenten
– In-situ-Verbundbildung und Polymeraufbau-reaktionen
– Langfaserverstärkte Thermoplaste mit ver-besserter Alterungsbeständigkeit
– Textilbewehrter Beton: Faser- und Grenz-schichtdesign mit Polymeren
Tailored Fibre PlacementWeiterentwicklung des Tailored Fibre Place-ment zur beanspruchungsgerechten Bauteil-verstärkung insbesondere für Carbonfaser-heizelemente und für textile Trägerstrukturenim medizinischen Bereich
Verbundwerkstoffe
Dr. Edith Mäder
Tel. (0351) 46 58-305
Herstellung von Preforms zur beanspruchungsgerech-
ten Bauteilverstärkung mittels einer adaptierten Stick-
technik
18
AFM-Höhenaufnahme
einer geschlichteten
Glasfaser (Schlichte
kompatibel für Polypro-
pylenmatrix, 0,4 Ma.-%)
mit Single Walled Carbon
Nanotubes
Messung von Zug-Druck-
Wechselbelastung (Hys-
teresemessung) an einer
Glasfaser im Verbund mit
Epoxidharzmatrix
Bestimmung von Struktur und grenzflächen-bestimmten Materialeigenschaften mittelsminiaturisierter Proben Mechanische Eigenschaften von Polymerensind stark von der Verarbeitung und der dabeientstehenden Struktur abhängig. Mit Untersu-chungen von Morphologie und Morphologieän-derungen in Korrelation zu den mechanischenEigenschaften bei Deformation und Bruch wer-den die mikroskopischen Prozesse aufgeklärt,um zuverlässige Daten für eine Materialmodel-lierung zu erhalten. – Untersuchung kleiner Prüfkörper– Erfassung des lokalen Deformationsver-
haltens der gesamten Probe mittels Grau-wertkorrelationsanalyse
– Strukturuntersuchung mittels Online- Röntgenstreuung
Einrichtung der Minizugmaschine unter dem Mikroskop
Modellierung von Deformation und Bruchmehrphasiger PolymerwerkstoffeCharakterisierung von Adhäsionsphänomenenan Grenzflächen zwischen den Komponenten.Analytische Simulation des makroskopischenVerhaltens auf der Grundlage der Kontinuums-mechanik und mittels Finiter Elemente(ANSYS-Software)
2D-Dehnungsfelder einer Bikomponentenprobe
PMMA-TPE mit gekrümmter Grenzfläche (oben längs,
unten quer zur Zugrichtung)
Unikale Anlage zum Online-Hybridgarnspinnen von Glas-
und Polymerfilamenten: Eigenentwicklung der Abteilung
Verbundwerkstoffe und Struktur und Mechanik
Schmelzspinnen von Thermoplasten für spezielle AnwendungenBeim Schmelzspinnen als Formgebungspro-zess mit extremen Abkühl- und Deformations-geschwindigkeiten können die Struktur und dieEigenschaften der Polymere gezielt beeinflusstwerden. – Grundlagenuntersuchungen zum Schmelz-
spinnen von Polymeren bis 6000 m/min– Theorie der Fadenbildung und Modellierung/
Simulation des Schmelzspinnprozesses– Rheologie und Spinnbarkeit von neuen
Polymeren– Verspinnen von biologisch kompatiblen und
abbaubaren Polymeren für medizinische Anwendungen
– Erspinnen von bikomponentigen, ultrafeinen Filamenten und profilierten Querschnitten (profiliert, hohl)
– Online-Erspinnen von Hybridgarnen aus Polymer- und Glasfilamenten
Für das Schmelzspinnen stehen sowohl indus-trienah ausgestattete Anlagentechnik (Extruder-Spinn-Streckanlagen, 2,5kg/h Durchsatz, bis6000 m/min Spinngeschwindigkeit) als aucheine Laborkolbenspinnanlage (10 g Material-einsatz) zur Verfügung.
Spannungs-Dehnungs-Kurve einer PE-Probe mit
SAXS-Streubilder an charakteristischen Positionen
Biomimetische Grenzflächen und Matrices
Blutstammzellen in
Wechselwirkung mit
Collagen-Fibrillen
Es werden polymere Matrices mit zeitlich undräumlich abgestimmter Signalcharakteristikgegenüber Zellen als Kultursubstrate bzw.Scaffolds für das in vitro oder in vivo TissueEngineering entwickelt. Hierzu werden durchrekonstituierte Biopolymer-Assoziate auf Basisvon Collagen I, Collagen IV, Fibronektin u. a.,oberflächengebundene Lipid-Doppelschichtenmit bio-funktionellen Komponenten sowiedurch synthetische und Biohybrid-Hydrogele
die physikalischen und biomolekularen Stimuli des natürlichen Mikromilieus von Zellensystematisch variiert. Dabei zielen mehrereProjekte auf die Nutzung von Stammzellen inneuen therapeutischen Strategien und bildendazu charakteristische Kombinationen exo-gener Signale zur Steuerung von Selbsterneu-erung und Differenzierung dieser Zellen – die„Stammzellnische“ – nach. Das Verständnisder Zell-Matrix-Adhäsion, der Aufklärung derWirkung physikalischer (Mikro- und Nano-struktur sowie Elastizität der Matrices) undbiomolekularer (Chemokine und Wachstums-faktoren) Stimuli sind hierfür wichtige Grund-lagen. – Modulation der Funktionalität von Biopoly-
meren und Assemblaten der Extrazellulär-matrix, Wachstumsfaktoren, Chemokinen und Membranproteinen durch die Art der Kopplung an Materialoberflächen
– Biophysikalische Aspekte der Zell-Matrix-Adhäsion an biomimetischen Materialien mit abgestuften Eigenschaftsprofilen
– Zelluläre und zellfreie Rekonstitution von supramolekularen (Mehrkomponenten-) Strukturen der Extrazellulärmatrix (Fibrillen auf Basis von Collagen I und Glycosamino-glycanen, Collagen VI-Laminin-Netzwerke/ Basallamina sowie Fibronektin)
– Synthetische and biohybride Matrix-Imitate für in vivo Tissue Engineering-Anwendungen (injizierbare, funktionalisierte Gele)
– Biomimetische Grenzflächengestaltung biologisch abbaubarer Polymermaterialien (Polyhydroxyalkanoate)
Endothelzelle (Adhäsions-
rezeptoren und Zell-
skelett) mit umgeordne-
ten Fibronektin-Fibrillen
Matrix Engineering
Dr. Tilo Pompe
Tel. (0351) 46 58-274
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Isolierung von Blutstammzellen für die Zellkultur
Dr. Carsten Werner
Tel. (0351) 46 58-531
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Biomimetische Materialien, Werkstoffe dieStrukturen und Funktionen lebender Materienachvollziehen und über in der Natur vorkom-mende Systeme hinausgehend kombinieren,stellen gegenwärtig eine besondere Heraus-forderung der Materialforschung dar undspielen in verschiedensten innovativenTechnologien eine immer wichtigere Rolle.Polymere sind aufgrund ihrer ausgeprägtenVariabilität in chemischen und physikalischenEigenschaften und der Möglichkeit zurErzeugung hochspezifisch interagierenderMolekülarchitekturen die wichtigste Basis für biomimetische Materialien.
Kernkompetenzfelder der Biomaterial-forschung des IPF sind im Rahmen des mit der Technischen Universität Dresden gemein-schaftlich gegründeten Max-Bergmann-Zen-trums für Biomaterialien Dresden – Matrix Engineering – Hämokompatible Grenzflächen – Ladung und Struktur von Bio-Grenzflächen.Forschungsprojekte dieses Bereichs nutzendie Struktur- und Eigenschaftsvielfaltsynthetischer und natürlicher Makromolekülesowie den rasanten Erkenntnisgewinn dermolekularen Zell- und Entwicklungsbiologieund beziehen sich auf grundsätzliche Frage-stellungen, die durch den Bedarf an funktio-nellen Materialien für innovative medizinischeTherapien, Diagnostik wie auch für bestimmtetechnische Anwendungen definiert werden.Der Notwendigkeit zur Einbeziehung vonExpertise aus verschiedenen Teilgebieten derLebenswissenschaften wird durch enge Ver-zahnung mit dem Dresdener Exzellenzclusterfür Regenerative Therapien und der Graduier-tenschule Biomedicine & BioengineeringRechnung getragen.
Adhärente Zellen nach
Blutinkubation (Leukozyt,
Thrombozyten; raster-
elektronenmikroskopi-
sche Aufnahme)
Hämokompatible Grenzflächen
Dr. Claudia Sperling
Tel. (0351) 46 58-527
Probenjustierung in der
Mikrospaltzelle
Strukturbildungsprozesse an heterogenenGrenzflächenDas Design von Polymeroberflächen, diegeeignet sind mit biofunktionalen Einheiten zuinteragieren, setzt die Kenntnis fundamentalerStrukturbildungsprozesse der Polymeren anGrenzflächen voraus. Hierzu zählen Be-/Ent-netzung aber auch Selbstorganisationsprozes-se an Grenzflächen, z. B. die Kristallisation. ImFokus steht hierbei die wechselseitige Beein-flussung von molekularer Assoziation undchemischer Grenzflächenreaktivität, die zurInteraktion mit Biomolekülen beiträgt. EineMikrostrukturierung der Polymerschichtenentweder mit Methoden der modernen Mikro-strukturtechnik oder durch Selbstorganisa-tionsprozesse stellt eine zusätzliche Heraus-forderung der Grenzschichtgestaltung imRahmen des Biosurface Engineering dar.– Elektronenstrahlstrukturierbare Poly-
ethylenoxid-Schichten mit definierter Morphologie und Grenzflächenchemie zur Immobilisierung von Biomolekülen
– Biomolekulare Sensoren durch topo-chemische Diacetylenpolymerisation an Grenzflächen
– Methodische Entwicklungen zur Mikro-strukturierung von Flüssig-/Flüssigphasen
Ladung und Struktur von Bio-Grenzflächen
Ladungsbildung
Dr. Ralf Zimmermann
Tel. (0351) 46 58-258
Strukturbildung
Dr. Hans-Georg Braun
Tel. (0351) 46 58-548
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Ladungsbildungsprozesse an Festkörper-grenzflächen in wässrigen MedienDie Beantwortung fundamentaler Fragestel-lungen zu Mechanismen der Ladungsbildungan Bio-Grenzflächen in wässrigen Elektrolyt-lösungen sowie die Aufklärung von Zusammen-hängen zwischen Ionisation und Struktur vonPolymeren an Grenzflächen tragen zur wissen-schaftlich fundierten Entwicklung biomimeti-scher Materialien bei. Darüber hinaus werdendadurch Möglichkeiten für die Entwicklung vonbioinerten Oberflächen und neuartigen diag-nostischen Prinzipien erschlossen. – Zusammenhänge zwischen Ionisation und
Konformationsänderung immobilisierter (Bio)Polymere und Einflüsse elektrostatischerWechselwirkungen in Proteinadsorptions-prozessen
– Ladungsbildung durch unsymmetrische Ionenadsorption
– Elektrokinetische Phänomene in Membranenund im mikrofluidischem Transport
– Weiterentwicklung von Methoden zur Charakterisierung von Grenzflächenladungen(Kombination von Strömungspotential/Strömungsstrommessungen mit weiteren grenzflächensensitiven Analysenverfahren)
Adhärente Granulozyten (blau: Zellkern DAPI Färbung,
grün CD11b FITC markiert)
– Korrelation von physikalisch-chemischen Grenzflächeneigenschaften und der Aktivierung von Blutgerinnung und Immunreaktionen
– Einfluss kompetitiver Plasmaproteinadsorp-tion auf die Blutgerinnungsaktivierung (Vromaneffekt)
– Möglichkeiten und Grenzen antikoagulanter Beschichtungen auf Basis von natürlich vorkommenden Blutgerinnungshemmstoffen (Thrombomodulin u. a.), synthetischen Gerinnungsinhibitoren (Benzamidin- und Guanidin-Derivaten) und persulfatierten Strukturen mit Inhibitorcharakteristik
– Entwicklung von Testsystemen und -metho-den zur Charakterisierung der Blutkompa-tibilität von Materialien durch Inkubation mit strömendem oder nichtströmendem humanem Vollblut in vitro
Mikrospaltzelle
Befüllen der Screening-Inkubationskammern mit
humanem Vollblut
Die Passivierung von Materialoberflächen gegenGerinnungsprozesse und Immunreaktionendes Blutes ist eine wichtige und bisher weit-gehend ungelöste Aufgabe zur Verbesserungder Biokompatibilität von Medizinprodukten, dieim Blutkontakt angewandt werden (Implantateim kardiovaskulären System, Membranen fürBlutreinigungsverfahren u. a.). Hierzu werdenLösungen auf der Basis von Beschichtungs-technologien entwickelt, die synthetischeInhibitormoleküle oder natürlich vorkommendeHemmstoffe zur Grenzflächenfunktionalisie-rung nutzen.
Systematische Untersuchungen zur Wech-selwirkung von humanem Vollblut mit Modell-substraten dienen der Aufklärung der durchMaterialoberflächen erzeugten molekularenund physikochemischen Auslösefaktoren derhumoralen und zellulären Abwehrsysteme unduntersetzen die Entwicklung blutkompatiblerPolymerbeschichtungen durch die Quantifizie-rung der Inhibierungswirkung immobilisierterSubstanzen.
Morphologieabhängige Bereitstellung von reaktiven
Gruppen in mikrostrukturierten aminoterminierten
PEO-Filmen (links: Rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme; rechts: Fluoreszenzabbildung reaktiver
NH2-Gruppen)
Leistungsspektrum für die Geräteentwicklung– Konstruktion: Entwurf mechanischer
Komponenten und Anlagenteile mit 3D-CAD(Inventor)
– Mess- und Automatisierungstechnik: Ent-wicklung von in der Regel rechnerbasierten Mess- und Steuersystemen (u. a. mit LabView)
– Elektronik: Entwicklung und Aufbau elektro-nischer Schaltungen und Geräte (u. a. für den HF-, NF-, HV-Bereich)
– Fertigung: Werkstatt mit CNC-, NC- und konventioneller Bearbeitungstechnik
Forschungstechnik
In der experimentellen Forschungsarbeit steigtder technische Aufwand mit dem Anspruch aufimmer präzisere und umfassendere Messda-ten. Zu vielen etablierten Messverfahren bietetdie Industrie bereits innovative technischeLösungen an. Da Forschung aber stetig Neu-land beschreitet, besteht kontinuierlich Bedarfan neuen Verfahren und Messmethoden sowiean spezieller technischer Ausrüstung. SolcheEinzelfalllösungen werden von den Mitarbei-tern der Forschungstechnik in Zusammenar-beit mit den Wissenschaftlern entwickelt undrealisiert.
Vorteile– Professionelle Gerätetechnik maßgeschnei-
dert für den individuellen Bedarf– Optimierte Lösungen durch die enge
Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren der verschiedenen technischen Fachrichtungen
– Abgestimmte parallele Entwicklung von Mechanik, Elektronik und Software durch enge Verzahnung der Disziplinen
– Innovation durch gerätetechnische Neuentwicklungen
– Kontinuität in der Weiterentwicklung von Geräten und Methoden
Dr. Michael Wilms
Tel. (0351) 46 58-221
CNC-Bearbeitung einer
Aluminiumplatte: Aus-
fräsung einer Mäander-
struktur für ein Kühl-
system
Strömungszelle aus PMMA mit verstellbarer Spaltweite
für die Messung elektrokinetischer Effekte
Elektronikentwicklung am Beispiel einer Rheometer-
steuerung für die NMR-Spektroskopie: Vom Leiter-
plattenlayout zum fertigen Steuergerät
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