Mikroporenentwicklung in polymerabgeleiteten Keramiken

Globale Herausforderungen im Bereich Energie und Umwelt führen zu einer vermehrten Nachfrage nach Materialien mit verbesserten bzw. neuartigen Eigenschaften, um alternative industrielle Prozesse mit erhöhter Effizienz und geringerer Umweltbelastung zu ermöglichen. Im unserem Projekt erforschen wir neuartige, auf Silicium-haltigen Polymeren basierende keramische Materialien mit Mikroporosität im Größenbereich kleiner als ein Nanometer, von denen wir uns vielversprechende Eigenschaften im Bereich der Hochtemperatur- Gastrennung erwarten. Schwerpunkt unseres Projekts ist die Aufklärung der Entstehung und des Zusammenbruchs der Mikroporosität in diesen Materialien, sowie eine Untersuchung des Einflusses der Mikroporenstruktur auf deren Wechselwirkung mit Gasen. Unsere Hypothese besteht darin, dass durch eine umfassende Betrachtung aller relevanten Prozessschritte - ausgehend von Struktur und Zusammensetzung des Ausgangspolymers bis hin zu den Bedingungen der finalen Temperaturbehandlung - eine Identifizierung jener Einflussfaktoren möglich ist, die die Struktur und thermische Stabilität des mikroporösen Endmaterials bestimmen. Wir nehmen an, dass wir dadurch in der Lage sind, eine Strategie zur Steuerungdieser Materialeigenschaften inRichtung definierter Gastransport- Eigenschaftenzu entwickeln,welche füreine potentielle Etablierung neuer Membranmaterialien von größter Relevanz ist. ZumErreichender Projektzielebetrachtenwir zunächstdenEinfluss diverser Prozessparameter auf Vorgänge während der Polymer-Keramik-Umwandlung, indem wir sowohl aktuell gängige als auch nicht-konventionelle Methoden zur Aufklärung der chemischen und strukturellen Materialbeschaffenheit anwenden, wobei einige Methoden im Rahmen nationaler und internationaler Forschungskooperationen entwickelt und umgesetzt werden. In der zweiten Projektphase erfolgt eine Methodenentwicklung zur Schaffung hochtemperaturstabiler Membranstrukturen, um schließlich die Korrelation zwischen Material- und Porenstruktur und Gastransporteigenschaften aufzuklären. Der Neuheitscharakter unseres Projekts liegt in der Betrachtung der gesamten Prozesskette von der polymeren Vorstufebis hin zumkeramischen Endmaterial, um die Mikroporenstruktur und, schlussendlich, die Gastransporteigenschaften zu kontrollieren. Die Implementierung neuartiger Untersuchungsmethoden ermöglicht uns die Beobachtung der Porenentwicklung während des eigentlichen Umwandlungsprozesses, und ergänzt dadurch die mittels etablierter Methoden der Strukturaufklärung gewonnenen Erkenntnisse. Von diesem Ansatz versprechen wir uns nicht nur das Betreten wissenschaftlichen Neulands im Bereich der grundlegenden Erforschung polymerabgeleiteter Keramiken, sondern auch die Leistung eines Beitrags zu angrenzenden Energie- und Umwelttechnologien.

Im Rahmen des Projektes wurden neuartige, auf Silicium-haltigen Polymeren basierende keramische Materialien mit Mikroporosität im Größenbereich kleiner als ein Nanometer erforscht, von denen vielversprechende Eigenschaften im Bereich der Hochtemperatur-Gastrennung erwartet werden. Schwerpunkt des Projekts lag hierbei auf der Aufklärung der Entstehung und des Zusammenbruchs der Mikroporosität in diesen Materialien, sowie eine Untersuchung des Einflusses der Mikroporenstruktur auf deren Wechselwirkung mit Gasen. Von besonderem Interesse war hierbei die umfassende Betrachtung aller wesentlichen Prozessschritte, ausgehend von Struktur und Zusammensetzung des Ausgangspolymers bis hin zu den Bedingungen der letztendlich für die Erzeugung der Materialeigenschaften notwendigen Temperaturbehandlung. Es stellte sich dabei heraus, dass Größe und Stabilität der Mikroporen eng mit dem chemischen Aufbau der resultierenden Keramik zusammenhängen, welche wiederum vor allem durch den Vernetzungsprozess, andererseits auch durch die Gasatmosphäre und Temperatur während der Wärmebehandlung kontrolliert werden kann. In ersterem Fall konnte gezeigt werden, dass durch die Zugabe eines Verknüpfungsmoleküls zum Ausgangspolymer der chemische Vernetzungsmechanismus im Anfangsstadium der Wärmebehandlung geändert werden kann, was aufgrund der dadurch erhöhten Stickstoffgehalte eine Verkleinerung der Mikroporen zur Folge hatte. In zweiterem Fall konnte durch die Durchführung der Polymer-zu-Keramik-Umwandlung unter einer reaktiven Ammoniak-Atmosphäre ebenfalls eine Verkleinerung der Mikroporen erzielt werden, und zudem konnte der Stabilitätsbereich der Mikroporen von vormals 600 C auf 900 C erhöht werden - unabhängig vom eingesetzten Startpolymer. Da konventionelle Methoden der Strukturaufklärung keine Möglichkeit boten, die Entstehung und das allfällige Verschwinden der Mikroporen während des eigentlichen Umwandlungsprozesses zu verfolgen, wurde im Rahmen einer Forschungskollaboration eine Methode der Strukturaufklärung basierend auf Röntgenkleinwinkelstreuung entwickelt, die es erstmals ermöglicht, den Status der Mikroporenstrukturen im laufenden Prozess ("in-situ") zu beobachten. Hierdurch konnten detaillierte Informationen über den Einfluss von Temperatur, Zusammensetzung und Gasumgebung auf die Mikroporenentwicklung ohne störende äußere Einflüsse gewonnen werden. Die im Rahmen des Projektes erzielten Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der für die Entstehung von Mikroporosität in polymerabgeleiteten Keramiken relevanten Prozessbedingungen, und dienen so als Grundlage für weiterführende Entwicklungen auf dem Gebiet der Entwicklung und des Einsatzes mikroporöser keramischer Materialien in verschiedenen energie- und umweltrelevanten Anwendungsbereichen. Darüber hinaus konnten grundlegende Erkenntnisse über die Kontrolle von Porenstrukturen in konventionellen pulverbasierten Keramiken erarbeitet sowie Analysetechniken entwickelt werden, die auch anderen Bereichen der Materialentwicklung zugutekommen können.