Perlen gegen Entspannung: Additiv stoppt Alterung in super-glasartigen Polymermembranen
Die Alterung stoppen – das gelingt jetzt bei hochporösen Polymer-Membranen, deren Leistung bei der Gastrennung bisher rasch nachlässt, weil Teile ihrer Polymerketten sich so umlagern, dass die Poren kollabieren. Ein australisch-amerikanisches Forscherteam stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine Methode vor, mit der sich diese Entspannung der Polymerketten verhindern lässt: Spezielle poröse Partikel aus einem aromatischen Gerüst nehmen die Polymerketten auf und halten sie so auf ihrem ursprünglichen Platz fest.
Trennprozesse wie Rektifikation und Adsorption sind besonders energieintensive Verfahren. Entsprechend wichtig ist es, Alternativen zu finden, die bisherige Verfahren ersetzen können. Eine solche Möglichkeit sind Gastrennungen mit Polymermembranen. Das Trennprinzip beruht darauf, dass verschiedene Gase das Polymer verschieden schnell durchqueren. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise CO2 von Stickstoff trennen, ein Prozess, der benötigt wird, um Kohlenstoff aus Rauchgasen zurückzuhalten. Derzeit kommen hier meist eine Absorption mit Flüssigkeiten zum Einsatz, die jedoch nicht kontinuierlich betrieben werden kann.
Die verwendeten Polymermembranen sollten stark porös sein, damit den Gasmolekülen eine möglichst große Oberfläche zugänglich ist. An sich ist es kein Problem, hochporöse Polymere mithilfe entsprechender „Gussformen“ herzustellen. Doch die Freude über die hohe Trennleistung dieser so genannten super-glasartigen Membranen währt nicht lang, die Membranen „altern“. Die einzelnen Polymersegmente sind nicht völlig in ihrer Lage „eingefroren“, sondern zu einem gewissen Grad beweglich. Aus thermodynamischen Gründen sind die Polymerketten bestrebt, sich möglichst gleichmäßig zu verteilen, also auch den freien Raum der Poren auszufüllen. Dank ihrer Restbeweglichkeit „entspannen“ die Polymerketten nach und nach und verringern dabei das freie Porenvolumen. Entsprechend nimmt die Trennleistung ab. Dieser Effekt ließ sich bisher nicht effektiv stoppen.
Das Team von der Division of Materials Science and Engineering der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) und der Monash University (Australien) sowie der University of Colorado (USA) um Matthew R. Hill und Richard D. Noble hat jetzt eine Methode entwickelt, wie sich die Alterung super-glasartiger Membranen verhindern lässt. Der Trick besteht in der Zugabe eines spezifischen Additivs bei der Herstellung. Es handelt sich dabei um poröse Mikropartikel, die aus einem speziellen dreidimensionalen Gerüst aus Aromaten und Metallionen aufgebaut sind. Die Mikropartikel werden von den Polymerketten durchdrungen wie Perlen von einer Schnur. Auf diese Weise werden die Ketten auf ihren Plätzen „eingefroren“. Die Poren bleiben so offen, wie sie bei der Herstellung waren, eine solche Membran altert nicht. Als Nebeneffekt verbessern die porösen aromatischen Mikropartikel die Trennleistung der Membranen für Stickstoff und Kohlendioxid.
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