Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSDas Fraunhofer IMWS hat gemeinsam mit Partnern im Rahmen des SFB-TRR 102 »Polymere unter multiplen Zwangsbedingungen« den Einfluss von Scherfeldern und inneren Grenzflächen auf die Struktur und die Eigenschaften teilkristalliner Polymere untersucht. Die Ergebnisse bahnen den Weg für den Einsatz von Präzisionspolymeren für endlosfaserverstärkte Thermoplast-Komposite im Leichtbau.
Kristallisation unter dem Einfluss von Scherfeldern und an Grenzflächen
Repräsentatives 2D-XRD-Muster von gezogenen Fasern aus a) PA10.12 und b) PA10.18. Die intensivsten Reflexionen sind gekennzeichnet.
Die große Vielseitigkeit und die variablen Eigenschaften und Funktionen von Makromolekülen beruhen einerseits auf einer Vielzahl unterschiedlicher Monomere, andererseits aber auch auf der Tatsache, dass Polymere sich zu organisierten Strukturen zusammenlagern können. Solche meist komplexen Prozesse der Strukturbildung und Selbstorganisation von Kettenmolekülen, bei denen die Bildung molekularer Strukturen und die Molekulardynamik durch die Kettenkonnektivität und zusätzliche Einschränkungen beeinflusst werden, wurden von 2011 bis 2023 im Sonderforschungsbereich »Polymere unter multiplen Zwangsbedingungen« untersucht. Dafür haben die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, die Universität Leipzig, das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM), das Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS zusammengearbeitet.
Ein besonders prominentes Beispiel für die derartige Bildung von Ordnung in makromolekularen Systemen und ein zentrales Thema des SFB ist die Kristallisation im Bereich der synthetischen Polymere. Hier bilden sich Strukturen in größerem Maßstab, die durch die Bildung lokaler molekularer Ordnung angetrieben und durch die Konnektivität der Ketten eingeschränkt werden. Ein tiefes Verständnis dieser Vorgänge erlaubt Aussagen über die Eigenschaften der Strukturen, die aus solchen Prozessen hervorgehen.
Kristallinität prägt Eigenschaften von Kompositen mit Endlosfasern
Die hat eine hohe Relevanz für den Einsatz thermoplastischer Verbundwerkstoffe mit Endlosfasern, die derzeit in verschiedenen Leichtbaubereichen an Bedeutung gewinnen. Denn Polymere, die auf der Nanometerskala aus inkompatiblen Untereinheiten bestehen, eignen sich als Matrixmaterial in solchen Verbundwerkstoffen. Dazu gehören langkettige Polyamide, aufgebaut aus Amidgruppen und Methylenfolgen, oder Polyester mit flexiblen Seitengruppen. Daher ist es sehr wichtig, Strukturentstehung und Morphologieausrichtung in solchen Polymeren, die verschiedene Lamellenstrukturen mit Periodizitäten im Bereich von 2–4 nm ausbilden, zu verstehen und zu steuern. Das Fraunhofer IMWS verfügt hier, basierend auf der langjährigen Forschungsarbeit zur Polymerkristallisation, über herausragende Expertise.
Je nach Vollkommenheit der Struktur befinden sich entweder beide, einer oder keiner der beiden eingebetteten Schichttypen intrinsisch in einem langreichweitig geordneten (»kristallähnlichen«) Zustand. Daher deckt die Natur der Lamellenstrukturen das gesamte Spektrum ab, von wirklich kristallin bis flüssigkristallin, trotz ähnlicher Domänengrößen und Kohärenzlängen. Die Frage nach Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Lamellenstrukturen, ihrer Orientierung und allgemeinen Wegen der Strukturbildung ergibt sich. Solche Wechselbeziehungen lassen sich unter dem Einfluss externer Zwänge effizient untersuchen, wobei die Auswirkungen der Ausrichtung in vorab geordneten Zuständen auf die morphologische Ausrichtung in nachfolgend gebildeten »perfekteren« Zuständen nachvollzogen werden können.
Die Forschungsarbeiten erlauben beispielsweise fundierte Aussagen zum Einfluss von Scherfeldern und Grenzflächen auf Strukturbildung, Morphologieorientierung und die anisotropen Eigenschaften. Sie tragen dazu bei, den Einsatz von Präzisionspolymeren für endlosfaserverstärkte Thermoplast-Komposite und Leichtbau zu optimieren.
(27. Januar 2026)