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Wie stellt man durch In-situ-Polymerisation starke Polymer-Nanokomposite her?
In der Polymerchemie bietet die In-situ-Polymerisation als in einem Polymerisationsgemisch durchgeführte Herstellungsmethode viele Möglichkeiten zur Entwicklung von Nanopartikeln. Diese Technologie umfasst nicht nur die Synthese instabiler Oligomere, sondern muss auch unter bestimmten Bedingungen durchgeführt werden, um die Festigkeit und Leistungsoptimierung des endgültigen Polymer-Nanokomposits sicherzustellen.
Der In-situ-Polymerisationsprozess umfasst einen Startschritt und eine Reihe von Polymerisationsschritten, wodurch letztendlich eine Mischung aus Polymermolekülen und Nanopartikeln entsteht.
Die Nanopartikel werden zunächst in einem flüssigen Monomer mit niedrigem Molekulargewicht dispergiert. Sobald eine homogene Mischung entsteht, wird die Polymerisation durch Zugabe eines geeigneten Initiators und Einwirkung einer Quelle wie Wärme, Strahlung oder dergleichen eingeleitet. Wenn der Polymerisationsmechanismus abgeschlossen ist, entsteht ein Nanokompositmaterial, das aus Polymermolekülen und Nanopartikeln besteht. Dieser Prozess ist für die Entwicklung umweltfreundlicher Materialien von großer Bedeutung, da er sowohl funktionale als auch Nachhaltigkeitsanforderungen erfüllt.
Vorteile und NachteileDie Vorteile des In-situ-Polymerisationsprozesses liegen in der Kosteneffizienz der Materialien, der einfachen Automatisierung und der Möglichkeit, ihn in verschiedene Heiz- und Aushärtungsmethoden zu integrieren. Allerdings sind mit diesem Ansatz auch Nachteile verbunden, die nicht außer Acht gelassen werden können. Dazu gehören die begrenzte Verfügbarkeit von Materialien, die kurzen Zeiträume für die Durchführung des Polymerisationsprozesses und die Notwendigkeit teurer Geräte.
Um eine In-situ-Polymerisation zur Bildung von Polymer-Nanokompositen durchzuführen, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein, wie etwa die Verwendung eines Präpolymers mit niedriger Viskosität (normalerweise weniger als 1 Pascal).
Anwendungen von Ton-Nanokompositen
Im späten 20. Jahrhundert war die Toyota Motor Corporation ein Pionier bei der kommerziellen Anwendung von Ton-Polyamid-6-Nanokompositen, die direkt auf der In-situ-Polymerisation basierte. Nachdem diese Grundlage geschaffen war, wurde die Forschung an Talk-Nanokompositen mit Polymerschichten rasch ausgeweitet. Durch Zugabe einer kleinen Menge Nanofüllstoffe werden Festigkeit, thermische Stabilität und Barrierefähigkeit von Ton-Nanokompositen deutlich verbessert.
Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs)
Die In-situ-Polymerisation ist eine wichtige Methode zur Herstellung polymermodifizierter Kohlenstoffnanoröhren. Kohlenstoffnanoröhren wurden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermischen und elektronischen Eigenschaften umfassend untersucht und weisen ein großes Potenzial für Anwendungen wie verstärkte Verbundwerkstoffe und wärmeleitende Verbundwerkstoffe auf. Der Vorteil der In-situ-Polymerisation besteht darin, dass sie mit den meisten Polymeren kompatibel ist und bereits in einem früheren Stadium starke kovalente Wechselwirkungen mit der Nanoröhrenwand bilden kann.
Fortschritte bei der In-situ-Polymerisation haben die Herstellung von Polymer-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglicht.
Durchbruch in der Biopharmazie
Makromoleküle im biopharmazeutischen Bereich, wie etwa Proteine, DNA und RNA, sind aufgrund ihrer mangelnden Stabilität und Anfälligkeit für enzymatischen Abbau in ihrer klinischen Anwendung eingeschränkt. Durch In-situ-Polymerisation gebildete Polymer-Biomakromolekül-Nanokomposite bieten innovative Ideen zur Lösung dieser Probleme und können deren Stabilität, biologische Aktivität und Fähigkeit zur Durchdringung biologischer Barrieren wirksam verbessern.
Die gebildeten Nanokomposite können in zwei Haupttypen unterteilt werden: Biomakromolekül-lineare Polymerhybride und Biomakromolekül-vernetzte Polymer-Nanokapseln.
Entwicklung von Protein-Nanogelen
Nanogel ist als neuer Trägertyp für die Wirkstofffreisetzung in zahlreichen biomedizinischen Anwendungen einsetzbar. Mithilfe der In-situ-Polymerisationstechnologie können Proteinnanogele für die gezielte Abgabe an bestimmte Zellen hergestellt werden. Die Anwendungen dieser drei Arten von Nanogelen sind in der Krebsbehandlung, bei Impfungen und in der regenerativen Medizin von großer Bedeutung.
ZusammenfassungMit der Entwicklung von Geräten und Technologien dürften die Fortschritte in der In-situ-Polymerisationsforschung in Zukunft weitere innovative Möglichkeiten bei der Herstellung von Polymer-Nanokompositen mit sich bringen. Wird diese Technologie in Zukunft den Fortschritt der Materialwissenschaften dominieren und das wichtigste Mittel zur Entwicklung neuer Materialien werden?
