Das Paradebeispiel für selbstheilende Polymere sind wohl Polymere mit Mikrokapseln, welche mit einem flüssigen Heilungsagenz gefüllt sind.³ In einem Schadensfall tritt dieses aus und härtet mit Hilfe eines Katalysators aus (z.B. Ringöffnungsmetathesepolymerisation von Dicyclopentadien katalysiert von einem Ruthenium-Komplex) bzw. zwei verschiedene Heilungs­agenzien treten aus und reagieren miteinander (z.B. Epoxid-Amin).⁴ Vorteilhaft ist hierbei, dass eine „gewöhnliche“ Polymermatrix (z.B. ein Epoxidharz) hier in ein selbstheilendes Polymer „verwandelt“ werden kann. Diese Systeme haben bereits ihren Einzug in kommerzielle Anwendungen (z.B. Lacke) geschafft. Nachteilig ist, dass an einer bestimmten Stelle der Schaden nur einmalig geheilt werden kann, da sich die Kapseln verbrauchen. Aus diesem Grund wurden die Kapselsysteme zu mikrovaskulären Netzwerken weiterentwickelt, welche kontinuierlich das oder die Heilungsagenz(ien) nachliefern können.⁵ Die mikrovaskulären Netzwerke sind auch die einzigen selbstheilenden Materialien, welche einen sehr großen Schaden (d.h. im 1 cm-Bereich) vollständig ausheilen können, da hier kontinuierlich Material nachgeliefert werden kann.⁶ Um eine vollständige Heilung zu ermöglichen und um ein Davonfließen der Heilungsagenzien zu verhindern, wurde nach dem Vorbild der Natur (Blutgerinnung) ein Zwei­stufenmechanismus entwickelt. Zunächst bilden die beiden Heilungsagenzien ein Gel, welches den Schaden langsam verschließen kann und anschließend durch eine Polymerisation aushärtet.

Intrinsische selbstheilende Polymere basierend dagegen auf reversiblen Bindungen – supramolekulare Wechselwirkungen⁷ oder reversible kovalente Bindungen.⁸ Die Reversibilität der Bindungen kann zumeist durch eine Temperaturerhöhung induziert werden. Das Paradebeispiel ist hierbei die reversible Diels-Alder-Reaktion von Furan und Maleinimid.⁹ Typischerweise können hier die Polymere bei ca. 80 bis 120 °C geheilt werden. Prinzipiell kann an einer Stelle im Material die Heilung mehrmals erfolgen, da keine Heilungsagenzien bei der Heilung verbraucht werden. Aufgrund der intrinsischen Reversibilität von vielen supramolekularen Wechselwirkungen wurden diese sehr oft für selbstheilende Polymere genutzt, so z.B. Wasserstoffbrücken­bindungen¹⁰ oder auch Metall-Ligand-Wechselwirkungen.¹¹

Nun kommen wir zum Kratzer auf dem Auto zurück. Hier gibt es auch bereits kommerzielle Polyurethansysteme, welche die Herstellung von selbstheilenden Lacken erlauben. Diese beruhen auf PU-Netzwerken mit flexiblen Einheiten. Diese ermöglichen einen „Reflow“ des Materials, wenn die Temperaturen über den vergleichsweise niedrigen Glaspunkt steigen – was bereits der Fall ist, wenn das Auto in der Sonne steht. Solche Systeme hatten ihre Anwendung beim Nissan X-trail gefunden, heute findet man diese im Interior von Oberklassewagen.

Neben den oben beschriebenen Polymeren, bei welchen die mechanischen Eigenschaften nach einem mechanischen Schaden wiederherstellen können, rücken funktionale selbstheilende Materialien immer mehr in den Fokus.¹² Diese Materialien können Eigenschaften bzw. Funktionen jenseits der Mechanik (z.B. elektrische Leifähigkeit, optische Eigenschaften) wiederherstellen. Diese Materialien sind daher auch interessant für verschiedenste Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung und -konversion.

Autor: Dr. Martin D. Hager,          
Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lehrstuhl für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie & Jena Center for Soft Matter (JCSM) & Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC Jena)

Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh