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Forscher arbeiten an selbstheilenden Polymermaterialien für 3D-Druck

Selbstheilende Polymermaterialien haben im letzten Jahrzehnt ein schnell wachsendes Interesse auf sich gezogen und wurden in einem immer größeren Bereich von Anwendungen untersucht und verwendet.

Den Forschern ist es gelungen, die kovalente Harnstoffbindung – ein Höhepunkt der Stabilität aufgrund starker Resonanzeffekte – durch Vermittlung von Zinksalzen dynamischer zu gestalten. Der dynamische kovalente Charakter von Harnstoff in Gegenwart von Zinkionen wird durch Dissoziationsreaktionsexperimente und quantenchemische Berechnungen von niedermolekularen Modellharnstoffverbindungen bestätigt. In Übereinstimmung mit den Experimenten legen die Modellierungsergebnisse nahe, dass die Anwesenheit von Zinkionen die Reaktion der Harnstoffdissoziation über die Bildung von O-gebundenen Zn-Komplexen um zwei Größenordnungen beschleunigt. Basierend auf solchen dynamischen kovalenten Harnstoffbindungen entwickeln die Forscher dann eine neue Klasse von selbstheilenden Polymermaterialien mit hervorragenden Heilungseffizienzen. Es wurden verschiedene Arten von selbstheilenden und wieder verarbeitbaren Polyharnstoffmaterialien hergestellt, deren Polymereigenschaften durch Variation des Vernetzungsgrades und des Molekulargewichts des Siloxanvorläufers leicht eingestellt werden können. Da verschiedene Arten von selbstheilenden Polyharnstoffmaterialien aufgrund der kommerziellen Verfügbarkeit eines sehr breiten Spektrums an Amin- und Isocyanatmonomeren leicht hergestellt werden können, wird erwartet, dass diese Einführung von Selbstheilungseigenschaften in einer Reihe von Anwendungen, wie Beschichtungen, Farben und 3D-Druck. Darüber hinaus werden Polyharnstoffe und andere harnstoffhaltige Polymere als Klasse hochstabiler und dennoch leicht wiederaufbereitbarer Kunststoffe eingeführt, was angesichts des weltweit gewünschten nachhaltigeren Einsatzes von Kunststoffen von hoher Relevanz ist.

Trotz der hohen resonanzinduzierten Stabilität von Harnstoffeinheiten zeigen die Forscher hier erstmals den dynamischen Charakter von Harnstoffen in Gegenwart von Zinkionen durch gut kontrollierte Dissoziations- und Austauschversuche und durch quantenchemische Berechnungen von niedermolekularen Modellharnstoffverbindungen. Die Forscher schätzen, dass die Anwesenheit von Zinkionen als Katalysator die Dissoziation von Harnstoffen durch die Bildung von O-gebundenen Zn-Komplexen um ungefähr zwei Größenordnungen beschleunigt. Auf der Grundlage dieser dynamischen Harnstoffbindung entwickelten sie selbstheilende Zn(OAc)₂ -haltige Polymermaterialien, die nach mechanischem Kratzen durch eine einfache Wärmebehandlung vollständig repariert werden können. Aufgrund des breiten Spektrums an im Handel erhältlichen primären Aminen und Isocyanatmonomeren können mit diesem Verfahren viele Arten neuartiger selbstheilender und wiederaufbereitbarer Polyharnstoffmaterialien hergestellt werden.

Infolgedessen wird erwartet, dass dynamische Polyharnstoffmaterialien in einer Reihe von Anwendungen wie Beschichtungen, Farben und 3D-Druck ein erhebliches Potenzial haben. Derzeit laufen in Labors Studien zum Einfluss verschiedener Katalysatoren auf den dynamischen Charakter von Harnstoffbindungen.

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