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Forschende der Universität Stuttgart stellen in porösen Polymeren Wabenstrukturen her

Schaumstoffe wie Honigwaben

Ein Forscherteam um Prof. Cosima Stubenrauch fand heraus, wie man gezielt offen- oder geschlossenzellige Schaumstoffe herstellen kann. Ganz nebenbei stellten sie eine Theorie auf, die erklären könnte, warum Honigwaben sechseckig sind.
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Schaumstoffe mit einer offenen Zellstruktur eignen sich zum Beispiel für Filter, Schwämme oder Gewebezüchtungen, während geschlossene Strukturen besser für Wärmeisolatoren oder Verpackungsmaterialien geeignet sind. Ein Forscherteam um Prof. Cosima Stubenrauch an der Universität Stuttgart fand nun heraus, wie man gezielt offen- oder geschlossenzellige Schaumstoffe herstellen kann. Ganz nebenbei stellten sie eine Theorie auf, die erklären könnte, warum Honigwaben sechseckig sind.

 

Honigwaben bestehen aus zwei Lagen Zellen mit sechseckigem Querprofil, die von gleichmäßig dicken Wänden getrennt werden. Diese hexagonale Struktur ist besonders effizient, weil sie mit geringstem Materialaufwand das größtmögliche Fassungsvermögen bei gleichzeitig höchster Stabilität gewährleistet. Die Entstehung der Wabenform fasziniert Wissenschaftler seit Jahren: Haben Bienen einen „mathematischen Verstand“ und wählen diese Bauform instinktiv? Oder ist das Bauprinzip das Ergebnis eines physikalischen Prinzips in der Natur?

Schon bisher wusste man, dass die Zellen in einem natürlichen Bienenstock ursprünglich ein rundes Querprofil haben, das sich mit der Zeit in einen hexagonalen Querschnitt mit gleichmäßiger Wandstärke verwandelt. Erklärt wird diese Transformation dadurch, dass das zunächst feste Wachs aufgrund der Wärme der Bienenkörper weich wird und sich, getrieben von der Oberflächenspannung, verformt. Allerdings brauchen die so entstandenen sechseckigen Wabenzellen rund 10 Prozent mehr Wachsoberfläche als die ursprüngliche Kugelstruktur. Unter der Prämisse, dass die Natur stets ein effizienter Baumeister ist, scheint ein solcher Prozess nicht logisch.

Prof. Cosima Stubenrauch
Prof. Cosima Stubenrauch

Prof. Cosima Stubenrauch am Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart fand nun gemeinsam mit Dr. Wiebke Drenckhan (Institut Charles Sadron, Straßburg), Dr. Sascha Heitkam (TU Dresden) und Dr. Aggeliki Quell (BASF, Ludwigshafen) einen einzigartigen Mechanismus heraus, der zur Bildung wabenartiger Strukturen führt. Für Honigwaben hatte sich das Team gar nicht interessiert, als es vor vier Jahren mit dem Projekt startete. „Wir wollten die Filmöffnung während der Polymerisation kontrollieren, um gezielt offen- beziehungsweise geschlossenzellige Schaumstoffe zu erhalten“, erklärt Cosima Stubenrauch. Für Anwendungen in der Industrie ist eine solche Differenzierung wichtig, weil offenzellige Schaumstoffe, bei denen die Zellwände nicht geschlossen sind, Flüssigkeit aufnehmen können. Solche Strukturen eignen sich zum Beispiel für Filter, Schwämme oder Gewebezüchtungen. Bei geschlossenzelligen Schaumstoffen dagegen, zu denen die Wabenstruktur gehört, sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett zu. Dadurch können sie kein oder nur wenig Wasser aufnehmen und werden eher für Wärmeisolation oder Verpackungsmaterialien eingesetzt.

In ihrer Arbeit starteten die Wissenschaftlerinnen und Dr. Heitkam mit einer flüssigen Matrix, in der Schichten kugelförmiger Wassertröpfchen eng aneinandergepackt sind. Die Matrix besteht dabei aus Monomeren (Einzelmolekülen) und wurde durch die Zugabe eines Initiators verfestigt. Dieser sorgt dafür, dass die Monomere chemisch miteinander reagieren und aus der monomeren Flüssigkeit ein festes Polymer (das Polystyrol) wird. Schließlich werden die Wassertropfen herausgedampft und man erhält ein festes, schaumstoffartiges Gebilde. Auf der Basis dieser Beobachtungen konnten die Wissenschaftler zeigen: Befindet sich der Initiator der Polymerisation und Aushärtung in dem Monomer, so bilden sich Kugelschäume. Befindet er sich dagegen in den Wassertröpfchen, so entstehen Wabenstrukturen.

Kugelförmige (links) und wabenförmige Schäume. Welche Struktur entsteht, hängt davon ab, wo sich der Initiator der Polymerisation befindet.
Kugelschäume (links) und Wabenschäume (rechts). Welche Struktur sich herausbildet, hängt davon ab, wo sich der Initiator der Polymerisation befindet.

Bei der Herstellung der beiden Schaumstofftypen stieß das Forscherteam auf eine Überraschung: Bei den geschlossenzelligen Schaumstoffen fanden sie extrem dicke Porenwände. „Die Beobachtung, dass sich dichtgepackte, flüssige Kugeln während der Verfestigung in Polyederstrukturen verformen, deren Porenwände eine homogene Dicke besitzen, war mit klassischen Argumenten erst einmal nicht erklärbar“, erklärt Stubenrauch. „Daher haben wir nach analogen Systemen gesucht, bei denen solche Phänomene auftreten und sind auf die Bienenwaben gestoßen.“

Interessant für Leichtbau und Akustik

Bedeutsam ist die Entdeckung für ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche. So könnte man im Leichtbau sehr feste Schaumstoffe mit sehr geringer Dichte herstellen, denn Schaumstoffe mit dicken Membranen sind bei gleicher Dichte um das 10- bis 100-fache fester. Auch als Schallisolierung in der Akustik könnten die Schaumstoffe nützlich sein, da sie aufgrund der regelmäßigen Membranen bestimmte Frequenzbereiche nicht durchlassen. Und „last but not least“ lässt sich das Team inspirieren, wie man den Mechanismus auf andere Materialien und Prozesse übertragen kann.

Original-Publikation:
Aggeliki Quell, Sascha Heitkam, Wiebke Drenckhan und Cosima Stubenrauch. Creating Honeycomb Structures in Porous Polymers by Osmotic Transport. ChemPhysChem, volume 18 (2017), pages 451 – 454.

Kontakt:
Prof. Dr. Cosima Stubenrauch, Universität Stuttgart, Institut für Physikalische Chemie
Tel. +49-(0)711-685-64470/51, E-Mail

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen