01.11.2017
Chemische Struktur und dielektrisches Relaxationsspektrum des Polynorbornens PTCNSi2g

Chemische Struktur und dielektrisches Relaxationsspektrum des Polynorbornens PTCNSi2g

Quelle: BAM, Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen und Fachbereich Nanotribologie und Nanostrukturierung von Oberflächen

Membranen mit speziellen Hochleistungspolymeren als aktiver Trennschicht können in vielen technischen Trennprozessen eingesetzt werden und eröffnen dort ein erhebliches Potential zur Energieeinsparung gegenüber konventionellen cryogenen oder auf Adsorption basierenden Techniken. Typische Anwendung ist vor allem die Gastrennung, wie z.B. bei der Aufbereitung von Erdgas aus fossilen Quellen oder Biogas als wesentlicher erneuerbarer Energie. Voraussetzung für den fortschreitenden Einsatz ist die Entwicklung neuartiger leistungsfähiger Polymere, die bei hohen Gasflüssen eine hohe Trennwirkung gegenüber verschiedenen Gasen aufweisen, z.B. zur Abtrennung von Kohlendioxid von Methan als primärer Nutzkomponente in Erd- und Biogas.

In den letzten Jahren sind besonders Polymere mit intrinsischer Mikroporosität (PIM) im Focus sowohl der akademischen Forschung als auch der praktischen Membranentwicklung. Bei diesen Polymeren führt der chemische Aufbau der Kettenmoleküle zu hoher Steifigkeit und einer gewundenen Konformation, was im festen Zustand eine nur unvollständige Raumerfüllung und einen hohen Anteil an sogenanntem Freien Volumen auf atomarer/molekularer Größenskala zur Folge hat. Dieser führt einerseits zu herausragenden Trenneigenschaften, ist anderseits aber auch Ursache für die physikalische Alterung, die durch molekulare Relaxationsprozesse zu einer langsamen Verdichtung der Polymerpackung und einer deutlichen Verschlechterung der Membraneigenschaften führt.

Mit Hilfe der breitbandigen dielektrischen Relaxationspektroskopie (BDS) können solche Relaxationsprozesse, verursacht durch molekulare Bewegungen von Haupt- oder Seitenkette, detailliert untersucht und charakterisiert werden. Hieraus können Rückschlüsse auf die physikalische Alterung und deren Vermeidung gezogen werden, jedoch auch auf Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Hinblick auf den diffusiven Gastransport und die Strukturbildung bei Erzeugung der dünnen Trennschicht aus Lösung.
Eine erste Publikation von Untersuchungen an PIM-1 in Zusammenarbeit mit der Universität Manchester (2016) führte zu weiteren internationalen Anfragen und Kooperationen. Die aktuelle Publikation ist in Kooperation mit einem der weltweit führenden Institute auf diesem Gebiet entstanden und umfasst erste Ergebnisse von Untersuchungen an einer Reihe von Polynorbornenen mit intrinsischer Mikroporosität.

Molecular Mobility and Physical Aging of a Highly Permeable Glassy Polynorbornene as Revealed by Dielectric Spectroscopy
Huajie Yin, P. Chapala, M. Bermeshev, Andreas Schönhals, Martin Böhning
ACS Macro Lett., 2017, 6 (8), pp 813–818
BAM Abteilung Materialschutz und Oberflächentechnik, Fachbereich Nano-Tribologie und Nanostrukturierung von Oberflächen und Abteilung Bauwerkssicherheit, Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen