30.06.2021 - Tomsk Polytechnic University

TPU-Wissenschaftler bieten skalierbare Technologie zur Herstellung von Polytetrafluorethylen-Membranen

"Der Hauptvorteil der Methode ist, dass sich die kleine Laboranlage in ihrem Kern und ihren Prozessen nicht von einer industriellen Anlage unterscheidet."

Wissenschaftlern der Polytechnischen Universität Tomsk ist es gelungen, Polytetrafluorethylen (PTFE)-Membranen durch Elektrospinnen herzustellen. PTFE ist bekanntlich das stabilste existierende Polymer. Nach Angaben der Wissenschaftler handelt es sich um eine einfache, kostengünstige und leicht skalierbare Methode, die es ermöglicht, chemisch stabile Membranen im industriellen Maßstab zu erhalten. Die Membranen können in der Petrochemie, der Luft- und Raumfahrt, der Nuklearindustrie, der kohlenstofffreien Energie und der Medizin eingesetzt werden.

Die neuesten Ergebnisse der Untersuchung der physikalischen und chemischen Eigenschaften und der Biokompatibilität der erhaltenen Membranen sind im Journal of Fluorine Chemistry veröffentlicht. Die erhaltenen Membranen wurden mit Zellen und Labortieren getestet. Die Untersuchungen bestätigten, dass die Membranen von den Zellen nicht abgestoßen und in der biologischen Matrix nicht zerstört werden. Das interdisziplinäre Team, bestehend aus Physikern und Chemikern, führt die Forschung derzeit an der TPU durch.

"Das Material und die Art, damit zu arbeiten, waren für uns bemerkenswert. PTFE ist ein fluorhaltiges Polymer. Fluor und ähnliche Verbindungen werden als Fluorpolymere bezeichnet. Sie sind für Wissenschaftler und Experten in Industrieunternehmen aufgrund ihrer Inertheit beachtenswert. Fluorpolymere können in korrosiven Medien oder dort eingesetzt werden, wo es auf Materialstabilität ankommt. Dies kann entweder eine Wasserstoff-Brennstoffzelle sein, die unter den Bedingungen korrosiver Medien arbeitet, oder ein medizinisches Implantat im menschlichen Körper. Das bedeutet, dass die Gewinnung von Membranen sehr perspektivisch ist, jedoch gibt es weltweit noch keine Technologie mit großer Kapazität. Sie ist entweder teuer oder arbeitsintensiv, selbst wenn das Rohmaterial erschwinglich ist", sagt Evgeny Bolbasov, Research Fellow des TPU Butakov Research Center.

Die TPU-Wissenschaftler nutzten das Elektrospinnen. Das ist das Ziehen von geladenen Fäden aus Polymerlösungen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. Das Ergebnis ist ein gestricktes Material aus Polymerfäden.

"Der Hauptvorteil der Methode ist, dass sich die kleine Laboranlage vom Kern und den Prozessen her nicht von einer industriellen Anlage unterscheidet. Alles, was im Labor gemacht werden kann, ist im Betrieb leicht reproduzierbar. Bisher glaubte man, dass es schlichtweg unmöglich ist, eine PTFE-Membran mittels Elektrospinnen zu erhalten. PTFE lässt sich nicht in Fäden ziehen. Um dieses Problem zu lösen, haben wir Polyvinylalkohol (PVA), ein Vernetzungsmittel, in die Synthesekette eingefügt", sagt die Wissenschaftlerin.

Der im Artikel beschriebene Prozess zur Gewinnung der Membran erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird ein sehr feines Pulver mit PVA vermischt. Man erhält eine Lösung, die in die Elektrospinnanlage geladen wird. Die dünnsten Fäden werden in der Elektrospinnanlage gezogen und aus diesen gezogenen Fäden wird das weiße poröse Bett gesponnen. Das ist die Membran. In der zweiten Stufe wird die Membran in einem Ofen bei ca. 400°? gebrannt. Das zugesetzte PVA verdampft im Ofen vollständig und die Membran wird etwas dunkel. Der gesamte Prozess dauert nicht länger als drei Stunden.

Die Forscher merken an, dass alle für die Synthese verwendeten Rohstoffe kommerziell erschwinglich sind und in Russland produziert werden.

Diese Membranen besitzen ein breites Anwendungspotenzial. Es ist lediglich eine skalierbare Technologie erforderlich. Industrielle Methoden zur Gewinnung von Membranen aus Fluorpolymeren werden in Europa, den USA und China gesucht. Inzwischen haben die russischen Wissenschaftler die Möglichkeit, eine kommerziell interessante Lösung anzubieten. Aus unserer Sicht ist das Elektrospinnen eine solche Lösung.

Diese Methode ist dutzendfach billiger als ihre Alternativen, sie ermöglicht eine einfache Kontrolle der Porenstruktur der Membranen. Außerdem ist diese Methode reproduzierbar und skalierbar, was für potenzielle Industriepartner sehr interessant ist", sagt Vyacheslav Buznik, ein Akademiker der Russischen Akademie der Wissenschaften, einer der Autoren des Artikels.

"Derzeit besteht die Hauptaufgabe der TPU-Forscher darin, die Möglichkeiten der Methode für die Lösung konkreter Anwendungsprobleme aufzuzeigen. Die Aufgabe ist kompliziert, komplex. Sie kann nur von interdisziplinären Teams, bestehend aus Materialspezialisten, Chemikern, Physikern, gelöst werden. Für uns ist es von entscheidender Bedeutung, dass es an der TPU alle erforderlichen Experten und Kompetenzen gibt. Das wird uns helfen, diesen Bereich aktiv zu entwickeln", stellt Marina Trusova, Direktorin der TPU Research School of Chemistry and Applied Biomedical Sciences, fest.

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