Synthese von makroporösem Polystyrol durch Polymerisation geschäumter Emulsionen
Als Verpackungen, Isolierungen und Aufprallschutzmaterialien haben Polymerschäume eine große kommerzielle Bedeutung. Je nach geplanter Anwendung müssen die Eigenschaftsprofile von Schäumen sehr unterschiedlich sein. Ein deutsch-irisch-französisches Team um Cosima Stubenrauch von der Universität Stuttgart stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine neue Methode vor, mit der sich strukturierte Schäume kontrolliert herstellen lassen: Die Forscher setzen auf eine Polymerisation geschäumter Öl-in-Wasser-Emulsionen.
Schaum ist nicht gleich Schaum, das wird schon deutlich beim Vergleich eines Spülschwamms mit einem Stück Styroporverpackung. Unterschiedliche Anwendungen stellen verschiedene Anforderungen an einen Schaum, weshalb große Anstrengungen unternommen werden, um die Eigenschaften von Schäumen gezielt einzustellen. So spielt neben der chemischen Zusammensetzung auch die Schaumstruktur eine Rolle. Wichtig für das Eigenschaftsprofil ist z.B. die Größe und die Anzahl der Poren, ob die Poren geschlossen oder miteinander verbunden sind oder wie dick die Polymerstege zwischen zwei Poren sind. „Die hohe Komplexität der herkömmlichen Herstellungsprozesse, bei denen Schäume aus Polymerschmelzen und Treibmitteln gewonnen werden, macht eine Kontrolle über die Morphologie und Eigenschaften des Produkts zu einer großen Herausforderung“, erläutert Stubenrauch.
Eine Alternative besteht darin, mikroskopisch kleine Schablonen („Template“) zu benutzen, um dem Schaum die richtige Struktur zu verpassen. Beispielsweise können winzige Wassertröpfchen in einer Monomerlösung feinst verteilt (emulgiert) und nach der Polymerisation entfernt werden. Ein anderes Verfahren nutzt Partikel, um Luftblasen in der Reaktionsmischung zu stabilisieren.
Das Team stellt nun ein neues Konzept zur Synthese von makroporösem Polystyrolschaum vor: Die Polymerisation geschäumter Öl-in-Wasser-Emulsionen. Styrol (die „Ölphase“) wird zunächst in einer wässerigen Phase emulgiert. Dann wird die durch ein anionisches Tensid stabilisierte Emulsion mit Stickstoff aufgeschäumt. Dabei entstehen von dicht gepackten Emulsionstropfen umgebene Schaumblasen. Im dritten Schritt wird die Polymerisation durch Bestrahlung mit UV-Licht ausgelöst. Die Emulsionstropfen verschmelzen dabei, während die Struktur des Schaums – also des Templats – erhalten bleibt.
Die entstandenen Polymerschäume enthalten Poren, die teilweise über „Fenster“ miteinander verbunden sind. „Während die hohe Dichte des Polymers und die starke Verknüpfung eine gute mechanische Stabilität gewährleisten, erlaubt die Gegenwart der Fenster den Durchfluss von Luft, Fluiden oder anderen Materialien durch den Schaum“ so Stubenrauch. „Eine Kontrolle über diese Eigenschaften wird für viele Anwendungen gewünscht, etwa für Träger, Filtermaterialien oder bioinspirierte Gerüststrukturen. Die Herstellungsmethode ist dabei einfach und vielseitig und stellt eine viel versprechende Alternative zu anderen templatbasierten Synthesemethoden dar.“