Prof. Vogel - Forschung - Polymere

Polymere

Materialien auf Polymerbasis, wie z.B. Kunststoffe, sind im Alltagsleben von sehr großer Bedeutung. In vielen Anwendungen liegen Polymere aber nicht als Reinstoff vor, sonderen sie sind Teil eines Verbundwerkstoffs. In solchen Kompositen lassen sich nämlich gewünschte Materialeigenschaften durch Mischung geeigneter Komponenten sehr gut einstellen. Für eine gezielte Optimierung der Materialeigenschaften ist es wichtig, das Verhalten der Komponenten im Verbundwerkstoff, insbesondere in der Nähe von inneren Grenzflächen, im Detail zu kennen. Häufig unterscheiden sich nämlich die Eigenschaften an Grenzflächen stark von denen im Bulk. Wir verwenden NMR-Experimente und MD-Simulationen, um die Struktur und die Dynamik von Polymeren in Rein- und in Verbundwerkstoffen präzise zu charakterisieren. Insbesondere möchten wir ein grundlegendes Verständnis für Veränderungen an Grenzflächen entwickeln.

NMR-Experimente an Polymerelektrolyten

Bei der Herstellung von Polymerelektrolyten nutzt man aus, dass verschiedene Polymere in der Lage sind, Salze zu lösen. In den entstehenden Mischungen findet ein schneller Transport der Ionen statt, sodass Polymerelektrolyte – bei Verwendung von Lithiumsalzen – aussichtsreiche Kanditaten für einen Einsatz in Lithiumionenakkus sind. Wir untersuchen Lithiumionen- und Polymerdynamik in Polymerelektrolyten mittels 7Li NMR bzw. 2H NMR. Die Ergebnisse belegen die Existenz einer starken Kopplung von Lithiumionen- und Polymerdynamik. Insbesondere ist eine hohe Beweglichkeit der Polymermatrix Voraussetzung für schnellen Transport der Ionen. Ein grundlegendes Verständnis der Vorgänge beim Ladungstransport erfordert es somit, Veränderungen in der Polymerdynamik bei Anwesenheit von Ionen zu analysieren. In 2H NMR-Experimenten an Polymerelektrolyten auf der Basis von Poly(propylenoxid) finden wir, dass eine Gegenwart von Lithiumionen eine starke Verlangsamung der Polymerdynamik hervorruft. Außerdem führt die zusätzliche strukturelle Unordnung, die mit der Verteilung der Ionen in der Polymermatrix einhergeht, insbesondere für intermediäre Salzkonzentrationen, zu extrem breiten Verteilungen von Korrelationszeiten für die Segmentbewegung des Polymers, also zu stark ausgeprägten dynamischen Heterogenitäten.

NMR-Experimente und MD-Simulationen an Nanokompositen auf Polymerbasis

Simulierte Struktur des Nanokomposits Poly(ethylenoxid) - TiO2. Man erkennt die schichtweise Anordnung des Polymers an den Grenzflächen.
Simulierte Struktur des Nanokomposits Poly(ethylenoxid) – TiO2. Man erkennt die schichtweise Anordnung des Polymers an den Grenzflächen.

Zugabe von Nanopartikeln zu Polymeren ist in vielen Fällen eine sehr erfolgreiche Strategie zur Verbesserung der Materialeigenschaften. Beispielsweise lassen sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Polymerelektrolyten auf diese Weise verbessern. Wir benutzen 2H NMR-Experimente zum Studium von Nanokomposit-Polymerelektrolyten auf der Basis von Poly(ethylenoxid) und TiO2-Nanopartikeln. An Hand der Resultate wird deutlich, dass sich eine erhöhte ionische Leitfähigkeit zum Teil auf eine geringere Kristallinität von Poly(ethylenoxid) im Nanokomposit zurückführen lässt. MD Simulationen an Poly(ethylenoxid)-TiO2-Nanokompositen ergeben, dass sich das Polymer in der Nähe der Nanopartikel in Form von Schichten parallel zu den Grenzflächen anordnet. Die geringere Kristallisationsneigung im Nanokomposit könnte somit darin begründet sein, dass die verschiedenen Ordnungstendenzen an den Grenzflächen bzw. im Kristall interferieren. Weiterhin zeigen unsere MD Simulationen, dass die Nähe einer TiO2-Grenzfläche eine starke Verlangsamung der Polymerdynamik zur Folge hat.