Polymerisationsverfahren

Am Fraunhofer IGB stellen wir kundenspezifisch Nano- und Mikropartikel mit Kernen aus organischem Material aus kommerziell erhältlichen Polymeren oder maßgeschneiderten Polymermaterialien mittels unterschiedlicher Polymerisationstechniken wie Miniemulsions- oder Dispersionspolymerisation her.

Polymerisationstechniken.
Polymerisationstechniken und erzielbare Partikelgrößen.

Verfahren und Partikelgröße

Erreichbare Partikelgrößen liegen dabei im Bereich von wenigen Nanometern bis hin zu mehreren 100 Mikrometern. Eine Übersicht der zur Verfügung stehenden Methoden gibt das Schema.

Verfahren zur Herstellung von Kolloiden

 

Mini-Emulsionpolymerisation

Herstellung spezifischer Adsorberpartikel

 

Emulsionpolymerisation

Aktivester-Surfmere

Dispersionspolymerisation

Grenzflächenkondensation

Mini-Emulsionpolymerisation

Miniaturisierte und parallelisierte UV-Glasreaktoren zur Optimierung der Nanopartikelherstellung.
Miniaturisierte und parallelisierte UV-Glasreaktoren zur Optimierung der Nanopartikelherstellung.
Prozessschritte bei der klassischen (a) und der inversen (b) Mini-Emulsionspolymerisation.
Prozessschritte bei der klassischen (a) und der inversen (b) Mini-Emulsionspolymerisation.

Spezifische Adsorberpartikel zur Abtrennung hydrophober Moleküle

Am Fraunhofer IGB stellen wir beispielsweise spezifische Adsorberpartikel durch Miniemulsionspolymerisation mit typischen Partikelgrößen im Bereich von 50 bis 300 nm dar. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Heterophasen­polymerisation, bei der unter Einwirkung hoher Scherkräfte, Einsatz von Tensiden sowie von Co-Stabilisatoren zwei nicht mischbare flüssige Phasen homogen und stabil emulgiert werden. Die hierdurch erzeugten Nanotröpfchen aus Monomer und osmotischem Reagenz bilden Nanoreaktoren, in denen die Polymerisation stattfindet. Es resultieren Polymernanopartikel, die in ihrer Größe und Morphologie direkte Abbildungen der Emulsionströpfchen sind.

Die Herstellung der Partikel kann in Anwesenheit eines Templatmoleküls erfolgen, was die Herstellung spezifischer Adsorberpartikel ermöglicht. Als Templatmolekül kann ein in der späteren Anwendung gewünschter abzutrennender Stoff, bzw. eine in diesem Molekül vorhandene spezifische Struktureinheit dienen.

 

Inverse Mini-Emulsionspolymerisation: Spezifische Adsorber zur Abtrennung hydrophiler Moleküle

Neben der klassischen Miniemulsionspolymerisation, die für die Herstellung spezifischer Adsorber zur Abtrennung hydrophober Moleküle eingesetzt wird, lässt sich der Prozess in einer inversen Miniemulsionspolymerisation durchführen. Mit dieser Technik können Nanopartikel für die spezifische Adsorption von hydrophilen Molekülen, beispielsweise Peptiden und Proteinen, hergestellt werden.

Anwendungen und Referenzen

Mini-Emulsionpolymerisation

 

Spezifische Adsorber für sauberen Biodiesel

Biodiesel enthält zumeist noch wachsartige Pflanzeninhaltsstoffe, welche die bei längerer Lagerung ausflocken und ggf. Kraftstofffilter verblocken. Wir haben spezifische Nanopartikel entwickelt, die diese unerwünschten Begleitstoffe binden.

 

Adsorber zur Abtrennung von Spurenschadstoffen aus Abwasser

In einem durch das Umweltministerium Baden-Württemberg geförderten Projekt haben wir nano- und mikrostrukturierte spezifische Adsorber gegen die weit verbreiteten Stoffe Diclofenac und Pentoxifyllin hergestellt.

Emulsionspolymerisation

Am Fraunhofer IGB setzen wir das Verfahren der Emulsionspolymerisation beispielsweise zur Herstellung von Nanopartikeln mit reaktiver Aktivester-Oberfläche ein.

Aktivester-Surfmere

Mit modular aufgebauten Aktivester-Surfmeren stellen wir eine Molekülklasse zur Verfügung, die drei völlig unterschiedliche Reaktivitäten in einem einzigen Molekül bereitstellt und so zur einfachen Synthese von Nanopartikeln mit Bindungsstellen für z. B. Proteine eingesetzt werden kann:

  • Die Funktion eines Nanopartikel stabilisierenden Emulgators.
  • Die Funktion der Polymerisierbarkeit durch radikalische Kettenreaktion.
  • Eine Aktivestergruppe, die stabil gegenüber Polymerisation oder Lagerung ist, unter einfach zu realisierenden Bedingungen aber zur kovalenten Verankerung weiterer Komponenten wie Biomolekülen genutzt werden kann.

Die erste Hälfte von »Surfmer« ist abgeleitet von surfactant, engl. für oberflächenaktiver Stoff oder Tensid. Die zweite Worthälfte stammt von Monomer. Für die Synthese der Aktivester-Surfmere aus einfachen Grundbausteinen haben wir einen zweistufigen Reaktionsweg entwickelt.

Strukturformel Aktivester-Surfmere.
Am Fraunhofer IGB entwickelte Aktivester-Surfmere, hier mit Acrylamid- oder Methacrylamid-Endgruppe (R).
Herstellung von Surfmer-Nanopartikeln mit Anbindung von Biomolekülen.
Herstellung von Surfmer-Nanopartikeln mit Anbindung von Biomolekülen.

Surfmer-Technologie zur Herstellung von Nanopartikeln in einem Schritt

Mit der Surfmer-Technologie können wir mittels Emulsionspolymerisation in einem Schritt gezielt Nanopartikel mit kontrolliert einstellbaren Eigenschaften herstellen und dadurch aufwendige Herstellverfahren mit mehreren unterschiedlichen Prozessschritten ersetzen.

Typische Partikeldurchmesser liegen dabei im Bereich von 80 bis 200 Nanometern. Die Nanopartikel tragen eine definierte Zahl von Ankerstellen für weitere chemische Umsetzungen der Partikel, beispielsweise zur Immobilisierung von Biomolekülen oder zur kovalenten Vernetzung von Nanokompositen.

 

Anwendungen und Referenzen

Emulsionspolymerisation

 

Enzymimmobilisierung für Verpackungen

Aufgrund fehlender Langzeitstabilität ist der technische Einsatz von Enzymen eingeschränkt. Durch eine Immobilisierung von Enzymen konnten wir dies umgehen.