Schnelle Methode zur Bestimmung des Phasenverhaltens von Mischungen

Mehrkomponentige Materialien wie beispielsweise Polymermischungen zu entwickeln, war bislang mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden. Denn dazu muss das Mischungsverhalten in Abhängigkeit von der Temperatur bekannt sein und die nötigen Phasendiagramme sind zu ermitteln. Das bedeutet: Es muss eine Vielzahl unterschiedlicher Mischungen präpariert und für jede dieser Mischungen die Phasenübergangstemperatur bestimmt werden. Um dieses umfangreiche Prozedere zu vereinfachen und zu beschleunigen, haben das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und die Universität Jena eine Hochdurchsatz-Methode zur schnellen Bestimmung des Phasenverhaltens von Polymermischungen entwickelt. Initiiert hatte das Projekt der Reifenhersteller Michelin beim Dutch Polymer Institute (DPI). Die entwickelte Methode war zunächst für Gummimischungen ausgelegt, ist jedoch weit darüber hinaus anwendbar. Das System zur Hochdurchsatz-Kleinwinkellichtstreuung wurde für den Einsatz in Industrielabors entwickelt und lässt sich auf besondere Bedürfnisse der Anwender konfigurieren.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte das Fraunhofer LBF eine Hochdurchsatz-Lichtstreuanlage sowie die dazugehörige Mess- und Auswertesoftware, mit der sich die Phasenübergangstemperaturen einer sehr großen Probenzahl parallel ermitteln lassen. Anlage und Messmethodik stehen für Kunden am LBF zur Verfügung. Die Universität Jena beschäftigte sich mit der Probenpräparation mittels Synthese- und Pipettierrobotern.

Hochdurchsatz-Methode zur Aufnahme von Phasendiagrammen

Die Proben befinden sich in der neuartigen Anlage in einer Mikrotiterplatte mit bis zu 96 Näpfchen oder werden auf einem flachen Glasträger appliziert. In einem Ofen mit Inertgasspülung lassen sich auf- und absteigende Temperaturrampen mit den Proben fahren. Phasenumwandlungen wie Mischen und Entmischen, aber auch Kristallisationsvorgänge, werden sehr sensitiv mittels Kleinwinkellichtstreuung festgestellt. Hierfür sind in den Ofenwänden Quarzglasfenster gegenüber der Unter- und Oberseite der Titerplatte eingelassen. Als Lichtquelle dient ein Laser, und eine spezielle Detektionsoptik erfasst das Streumuster. Durch die Bewegung des Lasers und der Detektionsoptik werden die Näpfchen der Titerplatte kontinuierlich nacheinander abgerastert.

Anwendungen vom Klebstoff bis zum Lebensmittel

Die neue Methode ist nicht nur für Polymersysteme anwendbar. Auch andere Materialklassen beziehungsweise Formulierungen zeigen Temperatur- und zusammensetzungsabhängiges Mischungsverhalten. Dazu gehören Rezepturen für Klebstoffe, Lacke oder Beschichtungen. Mögliche weitere Anwendungen sehen die LBF-Wissenschaftler in der Bestimmung des Phasenverhaltens bei der Entwicklung von Wirkstoffformulierungen im pharmazeutischen Bereich oder von Mischungen in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie. Auch Anwendungen in der medizinischen Diagnostik sind denkbar.

Neben Phasendiagrammen lässt sich die Ausbildung von festen Phasen aus einem anfänglich flüssigen System beobachten. Dies findet zum Beispiel während der Trocknung von Lacken oder während der Kristallisation aus der Lösung oder Schmelze statt.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF)