Organische Kunststoffe sind möglich. Problematisch kann jedoch deren Herstellungsmethode sein. Oft sind giftige Substanzen beteiligt. An der TU Wien wurde jetzt eine umweltschonende Alternative gefunden.
Aus Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff organische Hochleistungsmaterialien herstellen – das ist ein Ziel, das unsere Ressourcenprobleme lösen könnte. Was uns von diesem Ziel trennt, sind Herstellungsmethoden, in denen immer noch giftige Substanzen vorkommen. Das heißt, es ist nicht das Endprodukt, das die Umwelt belastet, sondern dessen Herstellung.
Organische Hochleistungsmaterialien
Professor Miriam Unterlass von der Fakultät für Technische Chemie an der TU Wien entwickelte bereits vor mehreren Jahren ein Verfahren, mit dem es ihr gelang, organische Farbstoffe auf umweltschonende Art herzustellen – und Polyimide Kunststoffe.
In der Forschungsgruppe für organische Hochleistungsmaterialien machte sie jetzt einen weiteren Fortschritt: sie konnte mit der Technik Polymer Kunststoffe umweltschonend herstellen. Konkret waren dies Polymere aus den vielversprechenden Kunststoffklassen Polybenzimidazole und Pyrronpolymere. Mit diesem Erfolg rückt die industrielle Anwendung der Herstellungsmethode in greifbare Nähe.
Foto: Von oben nach unten: Polypyrrone PP5 Polypyrron PP6, Polybenzimidazol PBI-COOH und Polybenzimidazol PBI;
Super-Kunststoffe
Beide Materialien halten extremen Bedingungen stand. Unterlass nennt sie Super-Kunststoffe: Polybenzimidazole sind selbst bei hohen Temperaturen säurebeständig und können Protonen leiten. Deshalb verwendet man sie zum Beispiel als Membranen in Brennstoffzellen. Außerdem kommen sie in feuerfester Kleidung zum Einsatz, wie etwa den Schutzanzügen von Feuerwehrleuten.
Pyrronpolymere sind sehr stabil und haben besonders interessante elektronische Eigenschaften. Daher eignen sie sich beispielsweise zur Anwendung in Feldeffekttransistoren oder als leistungsfähiges und hochbeständiges Elektrodenmaterial in Batterien.
Heißes Wasser und hoher Druck
Im sogenannten hydrothermalen Syntheseverfahren setzt Unterlass heißes Wasser ein – mit hohem Druck und hoher Temperatur. Die Temperatur liegt in einer Größenordnung von 17 bar und 200 Grad Celsius. Das sind Extrembedingungen, die auf giftige Lösungsmittel verzichten lassen.
Es handelt sich um ein Verfahren der grünen Chemie. Dieses ermöglicht beides: umweltschonende Endprodukte und eine ebensolche Synthese (Herstellungsmethode).
Das umweltschonende Verfahren
Unter normalen Bedingungen sind chemische Reaktionen zur Herstellung dieser organischen Kunststoffe empfindlich gegenüber Wasser. Das macht das hydrothermale Verfahren bemerkenswert. Auch sei das Potenzial der Herstellungsmethode noch nicht ausgeschöpft: Diese sei vielversprechend für ganz unterschiedliche Bereiche, so Unterlass.
Die neue umweltschonende Herstellungsmethode für die beiden neuen Materialklassen wurde bereits patentiert, mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien. Die elektrochemische Analyse der Produkte wurde in Kooperation mit dem Imperial College in London durchgeführt.
Publikation
Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Angewandte Chemie veröffentlicht:
J. Taublaender, S. Mezzavilla, S. Thiele, F. Glöcklhofer and M. M. Unterlass: Hydrothermal Generation of Conjugated Polymers on the Example of Pyrrone Polymers and Polybenzimidazoles, Angewandte Chemie Internationale Edition 2020, accepted.
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