Vielseitig einsetzbare ORMOCER®-Partikel
28.08.2008
Ausgangssituation
Nano- und Mikropartikel werden in Forschung und Industrie in vielen Bereichen, wie bei der Katalyse oder bei Stoffnachweis- und Stofftrennprozessen in der Chromatographie und der Bioanalytik eingesetzt. Wichtige Funktionen erfüllen Partikel auch als Trägermaterialien für Medikamente, Füllstoffe mit speziellen Funktionen oder Fixierung von Farbstoffen. Dabei werden neben anorganisch glasartigen je nach Bedarf auch organische Polymerpartikel eingesetzt.
Für Anwendungen bei höheren Temperaturen werden bevorzugt anorganische, wenn die Funktionalisierbarkeit die Hauptrolle spielt, organische Materialien verwendet. Die Partikel sollten je nach Anforderungsprofil entweder in poröser (hohe Oberfläche für Stoffnachweis- und Stofftrennfunktion) oder in dichter Form (mechanische Verstärkung) vorliegen. Auch die Einstellung der Morphologie bzw. des Teilchenaufbaus (Kern- oder Schale-Partikel, Hohlkugeln) oder eine gezielte Oberflächenfunktionalisierung zur chemischen Anbindung an polymere Matrices spielt oft eine wichtige Rolle.
Der Bedarf an innovativen Produkten mit speziell anpassbaren Eigenschaften wächst in den genannten Bereichen stetig. Die zur Verfügung stehenden Partikel erfüllen jedoch nicht immer alle erwünschten Funktionen.
Lösungsweg
Für die genannten Anwendungen sind die am Fraunhofer ISC entwickelten anorganisch-organischen Hybridpolymere (ORMOCER®e) besonders geeignet: Sie verfügen sowohl über Eigenschaften anorganischer als auch über typische Eigenschaften organischer Materialien. ORMOCER®e besitzen nicht nur eine hohe chemische und mechanische Stabilität, sondern eröffnen auch umfangreiche Möglichkeiten zur Einstellung der Porosität und chemischen Funktionalisierung.
Die am Fraunhofer ISC verfügbaren Syntheserouten bieten sich besonders zur Entwicklung nano- und mikroskaliger Partikel an. Die Partikel werden im Sol-Gel-Verfahren unter Verwendung organisch modifizierter Alkoxysilane sowohl chargenweise (batch process) als auch kontinuierlich (continuous flow reactor) erzeugt. Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 10 nm und 300 µm sind realisierbar. Bild 1 zeigt in einer Übersichtsaufnahme die homogene Größenverteilung der Partikel, und im Bild 2 ist die homogene Formverteilung deutlich erkennbar.
Durch Variation der Herstellungsparameter - wie Temperatur, Initiatorkonzentration für die organische Vernetzung (photochemisch oder thermisch), Art und Menge der verwendeten Lösungsmittel - lassen sich neben den Morphologien die spezifischen BET-Oberflächen (4 bis 605 m2/g) sowie Porendurchmesser zwischen 3,0 und 20 nm einstellen (Bilder 3 und 4). Auch ORMOCER®-Hohlkugeln können produziert werden.
Modifizierungsmöglichkeiten
Die chemische Zusammensetzung von ORMOCER®en lässt sich stark variieren, was sich z. B. in der Herstellbarkeit von weichen bzw. harten Partikeln oder solchen mit unterschiedlicher Oberflächenpolarität (Hydrophilie) äußert.
Die Oberflächeneigenschaften der ORMOCER®-Partikel können durch die Reaktion mit Silanen so modifiziert werden, dass sie eine Haftvermittlungsfunktion z. B. bei der Herstellung von Kompositen mit Polymermatrix ausüben, was für gute mechanische Eigenschaften von Verbundwerkstoffen eine wesentliche Rolle spielt. Durch die Steuerung der Oberflächenchemie der ORMOCER®-Partikel wird eine einfache Anpassung an chemisch sehr unterschiedliche Zusammensetzungen polymerer Matrices möglich.
Auch die Einbettung von beispielsweise magnetischen Pigmenten in die ORMOCER®-Partikel wurde schon erfolgreich durchgeführt. Magnetisierbare, anorganisch-organische Hybridpartikel sind von Bedeutung in bioanalytischen und medizintechnischen Prozessen.
Durch kontrolliertes thermisches Entfernen der organischen Bestandteile der ORMOCER®-Partikel entstehen poröse SiO2-Partikel. Ihre Eignung für chromatographische Trennprozesse wird gegenwärtig untersucht.
Kundennutzen
In den letzten Jahren wurden am Fraunhofer ISC funktionalisierte Partikel auf der Basis von Metalloxiden MOx (M = Si, Ti, Zr, Sn) weiterentwickelt. Die bekannten Herstellverfahren wurden auch für ORMOCER®-Partikel eingesetzt, so dass wir jetzt Partikel mit wesentlich umfassenderen Eigenschaften anbieten können.
Resultate - wie z. B. die Möglichkeit zur Einstellung der Härte, der Porosität sowie das Einbringen von funktionalen Magnetpigmenten - zeigen, dass ORMOCER®-Partikel eine interessante Alternative zu rein organischen bzw. rein anorganischen Materialien darstellen. Sie können neue Anwendungsmöglichkeiten u. a. in der Chromatographie, bei der Stofftrenntechnik (Filterfunktion) und der Medizintechnik eröffnen.
Ihre Ansprechpartner
Dr. Carsten Gellermann
Tel. +49 (0)931 4100-511
Fax +49 (0)931 4100-399
E-Mail: carsten.gellermann@isc.fraunhofer.de
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