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Flüssigkristalline Polymere – Eigenschaften und Verwendung

Wer ab und zu einen Actionfilm schaut, hat sich vielleicht schon einmal gefragt, wie die Heldin schon wieder unbeschadet der Schießerei entkommen konnte, obwohl sie doch nur so eine dünne Schutzweste getragen hat. Der Trick liegt im Material. Flüssigkristalline Polymere sind, auch wenn der Name exotisch anmutet, bekannter und verbreiteter als man glauben mag. Der bekannteste Vertreter dieser Materialklasse ist Kevlar® und hat nicht nur unserer Filmheldin erneut den Tag gerettet. Doch auch im Alltag oder im Beruf nutzt jeder diese Materialien.

Was sind flüssigkristalline Polymere?

Flüssigkristalline Polymere, kurz FKP oder LCP (engl.: Liquid Crystal Polymers) genannt, sind Kunststoffe, die flüssigkristalline Eigenschaften aufweisen. Das bedeutet, dass sie ein gewisses Maß an Ordnung zeigen und Eigenschaften von Polymeren und Flüssigkristallen vereinen. Damit Polymere diese Eigenschaft aufweisen, müssen in die Haupt- oder Seitenketten mesogene Gruppen eingebaut sein. Diese sind notwendig, damit sich flüssigkristalline Phasen ausbilden, welche einen eigenen Aggregatzustand besitzen – den mesomorphen Zustand. Allgemein sind Mesogene stäbchenförmige Moleküle, die wenig bis kaum flexibel sind. Da diese sich gern aneinander anlagern, entstehen die flüssigkristallinen Phasen.

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Aufgrund des hohen intermolekularen Zusammenhalts in diesen Phasen resultieren auch die besonderen Eigenschaften, die die Flüssigkristallpolymere so begehrt als Werkstoff machen. So verfügen sie über sehr hohe Schmelzpunkte, wenn sie überhaupt einen besitzen, und sind kaum löslich. Weiterhin zeigen sie parallel zur Molekülachse eine sehr hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul, was bedeutet, dass diese Materialien äußerst stabil sind und auch große Beanspruchungen unbeschadet überstehen. Flüssigkristallpolymere können prinzipiell auf zwei Arten erzeugt werden. Entweder werden diese in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst oder über die Glas- bzw. Schmelztemperatur erhitzt. Erstere werden als lyotrophe (z.B. Kevlar®), andernfalls als thermotrophe FKP (z.B. Vectran®) bezeichnet.

Wie werden flüssigkristalline Polymere hergestellt?

Flüssigkristalline Polymere sind schon länger aus der Natur bekannt. So gibt es verschiedene Naturstoffe, die ein ähnliches Verhalten zeigen. Darunter zählen beispielsweise die Desoxyribonukleinsäuren (DNA) oder auch Spinnenseide, welche in Wasser gelöst sind – es handelt sich hierbei folglich um lyotrophe Flüssigkristallpolymere. Aber auch Polysaccharide, also Vielfach-Zucker, zeigen Eigenschaften von Flüssigkristallen. Im technischen Bereich sind insbesondere die Aramide, auch als Polyaramide oder aromatische Polyamide bezeichnet, interessant. Der Name Aramide leitet sich von der Eigenschaft ab, dass die Amidgruppen durch aromatische Gruppen verbunden sind.

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Die Synthese von Aramiden ist dabei schon lange ein wichtiger Bestandteil der chemischen Industrie. Sie wurde von der US-amerikanischen Chemikerin mit polnischen Wurzeln, Stephanie L. Kwolek (1923 – 2014), für DuPont im Jahr 1965 entwickelt. Die Aramide sollten später unter dem Markennamen Kevlar® berühmt werden. Leider hat sie die Patentrechte an ihren Arbeitgeber abgetreten, sodass sie am großen Erfolg ihrer Entwicklung keinen Anteil hatte. Die Herstellung findet über eine Polykondensation statt, um genau zu sein, über die Schotten-Baumann-Synthese. Diese findet bei Temperaturen zwischen 0 und -40 °C statt, um Nebenreaktionen und damit unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden.

Zwei wichtige Vertreter der aromatischen Polyaramide sind das Poly(p-phenylenterephthalamid), oder kurz PPTA, und das Poly(m-phenylenisophthalamid), auch als PMPI bezeichnet. Sowohl PPTA als auch PMPI werden als Fasern in sogenannten Fasern-Kunststoff-Verbunden eingesetzt.

Die Eigenschaften des Kunststoffs lassen sich anpassen. Durch die Variation des Anteils an Mesogenen in der Haupt- oder Seitenkette können beispielsweise die Löslichkeit und der Schmelzpunkt des Flüssigkristallpolymers verändert werden. So können Chemiker durch die Variation der Synthesebedingungen auf die Wünsche der Industrie reagieren und maßgeschneiderte Werkstoffe anbieten.

Der Allrounder für jede Situation

Aufgrund ihrer Eigenschaften finden Flüssigkristallpolymere eine Vielzahl von Anwendungen. Ein großer Vorteil ist dabei auch, dass sie vielfältig verarbeitet werden können. Wie viele Polymere, lassen diese sich auch über Spritzguss oder Extrusion in Form bringen, bestimmte Polyaramide lassen sich sogar wie Keramiken sintern oder aus Lösungen zu Fasern spinnen. Entsprechend zahlreich sind auch Anwendungsgebiete, bei denen man auf diese Kunststoffe trifft – vom Weltraum bis zur heimischen Küche ist alles dabei.

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Ein besonders wichtiges Gebiet ist die Anwendung für Schutzkleidungen. Dank der hohen Zugfestigkeit bieten Schutzwesten aus Kevlar® Sicherheit gegen Projektile und sind dabei deutlich leichter und flexibler als frühere Modelle mit Bleieinlagen. Doch auch in anderen brenzligen Situationen sind Materialien aus Aramiden eine echte Lebensversicherung.

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Wegen der hohen Schmelztemperaturen und der kaum vorhandenen Entflammbarkeit eignen diese sich ideal für Feuerschutzkleidungen, wie sie heute von der Feuerwehr genutzt werden. Auch im Motorsport haben sich Anzüge aus Nomex® durchgesetzt, nachdem in den frühen sechziger Jahren eine Reihe von dramatischen Unfällen hohe Opfer gefordert haben. Heutzutage gehören feuerfeste Anzüge aus Flüssigkristallpolymeren zur Standardausrüstung für Rennsportler und Kampfpiloten.

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Für den Gerätebau ist besonders interessant, dass flüssigkristalline Polymere chemisch sehr inert sind und nicht von Säuren angegriffen werden. Daher nutzt man diese gerne für den Bau von Präzisionswaagen oder medizinischen Geräten. Weiterhin verfügen sie über sehr kleine Dielektrizitätskonstanten. Das bedeutet, dass sie für elektrische Felder kaum durchlässig und damit isolierend sind.

Dies nutzt man für die Anwendung im Elektronikbereich für die Herstellung von Fassungen und Steckern, aber auch in Fahrzeugen für das Zündsystem und für die Sensoren der Sicherheitsgurte.

Wer gerne kocht und sich darüber freut, dass in der neuen Pfanne nichts angebrannt ist, verdankt dies den FKP, die als Ersatz für PTFE (Polytetrafluorethylen) genutzt werden. Und wer anschließend nicht alles aufgegessen hat, kann die Reste in Verpackungen aus diesen Kunststoffen aufbewahren. Auf dem Sportplatz verbergen sie sich in Tennisschlägern oder der Sportbekleidung.

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Schon heute das Material der Zukunft

Flüssigkristalline Polymere sind wahre Alleskönner und lassen sich in nahezu jedem Bereich wiederfinden. Sei es als Lebensretter in Form von Schutzwesten und Feuerschutzanzügen oder als beschichtete Pfanne, die unser Abendessen vor dem Anbrennen schützt, weil wir vom Fernseher abgelenkt sind – FKP sind dank ihrer Eigenschaften vielseitig einsetzbar. Die Liste der aktuellen Anwendungen ist bereits jetzt sehr lang und wird dank intensiver Forschung stetig erweitert. So ist es möglich, bessere und sicherere Produkte zu entwickeln und neue Felder zu erschließen.

Denn obwohl Flüssigkristallpolymere seit über 50 Jahren eingesetzt werden, sind diese noch lange kein altes Eisen – ganz im Gegenteil.