Entwicklung von Polymermembranen

Das Nanoscience Institute of Aragón in Zaragoza wird bei seinen Forschungen, unter anderem über die Entwicklung einer Polymermembran mit verbesserter Permeabilität und Selektivität, von Memmert Vakuumschränken unterstützt.

Gastrennung ist ein Renner in der Umwelttechnologie

Das zunehmende Bewusstsein für die Umwelt beschert der Umwelttechnologie immer neues Wachstum durch Entwicklung und Einsatz innovativer Technologien. Nur eines von vielen Beispielen ist die Polymermembran, die zur Stofftrennung sowie zur Mikrofiltration eingesetzt wird. Je nach Aufbau ist sie zu einer Seite hin gasdurchlässig, wasserdurchlässig oder nur für bestimmte Mikropartikel oder organische Stoffe passierbar. Einsatzgebiete sind unter anderem die Aufbereitung von Biogas durch CO2-Abtrennung oder die energiesparendere Meerwasserentsalzung. Große Aufmerksamkeit erfährt die Polymermembran als zentrale Komponente in der Brennstoffzelle, wo sie nicht nur für die Gastrennung zuständig ist, sondern als Elektrolyt auch die Protonen leitet. Viele universitäre Institute und industrielle Forschungseinrichtungen widmen sich weltweit der Aufgabe, diese Komponenten günstiger herzustellen und gleichzeitig die wesentlichen Eigenschaften hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Gasdurchlässigkeit und Selektivität für bestimmte Gase zu verbessern

Die Brennstoffzelle im Fahrzeug ist nur eines von vielen Einsatzgebieten für die Polymermembran. Mit im Forschungseinsatz: der Memmert Vakuumschrank

Die Brennstoffzelle im Fahrzeug ist nur eines von vielen Einsatzgebieten für die Polymermembran

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Trocknen und Entgasen im Vakuumtrockenschrank

Eine Forschungsarbeit des Nanoscience Institute of Aragón der Universität Zaragoza beschäftigte sich mit der Entwicklung einer Membran mit Polysulfon, einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, als Polymer Matrix sowie sphärischen (kugelförmigen) Silika (SiO2) Partikeln als Füllstoff. Untersucht  wurden Morphologie und Homogenität der Partikelverteilung in der Membran bei unterschiedlichen Stärken sowie die Eigenschaften bei verschiedenen Gewichtsanteilen der sphärischen Silika Partikel. Weit entfernt sind die tatsächlichen Größenverhältnisse von der anschaulichen Grafik zur Veranschaulichung einer Brennstoffzelle weiter oben. Die Dicken der Membran bewegen sich zwischen 75 bis 100 µm und die Silika Partikel sind im Durchmesser um die 5 µm. Gleich zwei Mal wird Vakuum bei den verschiedenen Experimenten benötigt. Zum Einen muss das Polysulfon vor der Verkettung mit dem Füllstoff vier Stunden bei 100 °C im Vakuum getrocknet werden, zum anderen werden die bei Raumtemperatur getrockneten Membranfilme bei 10 bar und 100 °C einen Tag im Vakuumtrockenschrank entgast, um das aus der Polymerherstellung verbliebene Lösungsmittel zu entfernen.

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Die Ergebnisse: Reduktion des Anteils an Füllstoff bei besserer Permeabilität und Selektivität

Im Anschluss an die Herstellung der Membranen folgten zahlreiche Untersuchungen mit Rasterelektronenmikroskop, Thermogravimetrie, Infrarotspektroskopie sowie Röntgen, mechanische Belastungstests und Messungen der Permeabilität. Dabei zeigte sich, dass mit der gewählten Werkstoffkombination aus Polysulfon und Silika der Anteil an Füllstoff gering gehalten werden kann, obwohl gleichzeitig Gasdurchlässigkeit und Selektivität verbessert wurden. Die vollständige Veröffentlichung ist bei ACS Publications erhältlich. Unser besonderer Dank gilt Herrn Joaquín Coronas von der Universität Zaragoza für seine Unterstützung beim Verfassen dieses Anwenderberichtes.

Rasterelektronenmikroskop zeigt beispielhaft Homogenität und Morphologie des Füllstoffes Silika in der Membran bei 8, bzw. 12 % anteiligem Gewicht

Rasterelektronenmikroskop zeigt beispielhaft Homogenität und Morphologie des Füllstoffes Silika in der Membran bei 8, bzw. 12 % anteiligem Gewicht 

 
Glossar
  • Elektrolyt: chemische Substanz, die beim Anlegen einer Spannung elektrischen Strom leitet
  • Kompositwerkstoff: Teilchen oder Fasern anderer Werkstoffe sind in die so genannte Matrix des Ausgangsstoffes eingebettet (z.B. Polymer Matrix)
  • Matrix: Fixiert im Kunststoffverbund die Fasern bzw. Teilchen
  • Permeabilität: Durchlässigkeit, z.B. Gasdurchlässigkeit
  • Selektivität: Maß für die Enge einer Auswahl
  • Silika: Siliziumdioxid ist ein feuerfester keramischer Stoff (SiO2)
  • Polymer: chemische Verbindung aus Molekülketten (z.B. synthetische Stoffe wie Polypropylen und Polyamid oder organische Polymere wie Proteine und DNA)
Trockenschränke für industrielle Anwendungen

Vakuumschrank VO

Universalschrank U

 
Themenschwerpunkte in der Übersicht
  • Polymermembran
  • Umwelttechnologie
  • Gastrennung
  • Meerwasserentsalzung
  • Co2-Abscheidung
  • Trocknen im Vakuumtrockenschrank
  • Entgasen im Vakuumschrank
  • Polymer Matrix
  • Verbesserung Permeabilität und Selektivität
  • Füllstoff Silika und Polysulfon Matrix

 

Bildnachweis: imageproduction.nl, Institute of Nanoscience Zaragoza