Im Bereich der polymerbasierten Werkstoffe unterscheidet man typischerweise drei größere Klassen: Elastomere, Duromere und Thermoplasten. Elastomere zeichnen sich durch besondere Dehnbarkeit aus – sie sind elastisch verformbar. Es sind leicht vernetzte Polymernetzwerke – so wie beispielsweise vulkanisierte Kautschuke (z. B. im Autoreifen). Duromere sind hingegen hochvernetzte Polymere und weisen daher exzellente mechanische Eigen­schaften (z. B. Härte) auf und werden deshalb häufig in Kompositmaterialien (z.B. glas­faser­verstärkte Komposite) verwendet. Oftmals werden sie in der Anwendungsform ausgehärtet (d. h. Polymerisation der Monomere), da diese Materialien aufgrund der Netzwerkstruktur nach der Herstellung/Aushärtung kaum ver­ar­beitet beziehungsweise verformt werden können. Im Gegensatz dazu können Thermoplasten bei (hohen) Temperaturen sehr gut zu verarbeitet werden, da sie hier erweichen und somit leicht in eine andere Form überführt werden können. Allerdings kommen Thermoplaste mit ihren mechanischen Kennwerten nicht an Duromere heran.

Die bisher bekannten Werkstoffe basieren auf linearen Polymerketten (Thermoplaste), schwach vernetzten Polymeren (Elastomeren) oder hoch vernetzten dreidimensionalen Polymernetz­werken (Duromere). Sie alle weisen keinerlei reversible (also umkehrbare) Bindungen auf. Im Gegensatz hierzu haben Vitrimere eine spezielle Polymerstruktur. Sie weisen vergleichbar zu Elastomeren und Duromeren eine Netzwerkstruktur auf, allerdings enthalten sie reversible Gruppen, die unter bestimmten Umständen, meist erhöhte Temperatur, untereinander aus­tauschen können.[1] So „hüpfen“ die Einheiten untereinander hin und her und erzeugen da­durch eine Dynamik im Polymernetzwerk, welche zu einem Wechsel der Eigenschaften führt (siehe Abbildung 1, links). Obgleich der reversible Austausch abläuft, ist es immer noch ein Polymernetzwerk. Durch die Reversibilität wird quasi der Übergang von einem Duromer zu einem Thermoplasten ermöglicht. Insbesondere verändert sich die Viskosität der Polymere, also das Fließverhalten, wodurch die Materialien weicher und somit verarbeitbar werden.

Als erstes Vitrimer wurde ein Polymernetzwerk mit Estergruppen durch die Arbeitsgruppe von L. Leibler beschrieben.[3] Hierbei findet bei erhöhten Temperaturen eine Umesterung statt und die Bindungen tauschen untereinander aus. Weitere bisher genutzte reversible Gruppen sind z. B. vinyloge Urethane[4] oder Disulfide[5] (siehe Abbildung 1, rechts).

Vitrimere sind eine neue und noch vergleichsweise junge Klasse von Materialien, welche allerdings bereits ein enormes Potential für vielfältige Anwendungen in der Zukunft aufweisen. Aufgrund von (schaltbaren) reversiblen Austauschreaktionen zwischen funktionalen Gruppen im Polymernetzwerk, weisen Vitrimere mechanische Eigenschaften vergleichbar zu Duromeren auf und können nach Aktivierung des Austausches vergleichbar zu einem Thermoplasten verarbeitet werden. Somit bieten Vitrimere die prinzipielle Möglichkeit für eine nachhaltigere Nutzung von Kunststoffen in der Zukunft und eröffnen neue Möglichkeiten für ein Recycling von Verbundwerkstoffen.

Autoren: Dr. Stefan Zechel, Dr. Martin D. Hager, Prof. Dr. Ulrich S. Schubert,
Friedrich-Schiller-Universität Jena         
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh

Danksagung

Die Autoren danken der Carl-Zeiss-Stiftung für die Förderung des Projekts „Vitrimere – eine neue Klasse von intelligenten Materialien für die nachhaltige Nutzung von polymeren Werkstoffen“.