Polymermembranen und Mixed-Matrix-Membranen

Gruppe

Membranverfahren bilden die Grundlage für energiesparende Stofftrennverfahren in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Biotechnologie oder auch in der Energie- und Wasserwirtschaft. Membranen auf Basis organischer Polymere oder basierend auf anorganischen Materialien werden erfolgreich angewandt, jedoch beschränken intrinsische Eigenschaften der reinen organischen oder anorganischen Materialien deren breiteren Einsatz.

Daher liegt der Fokus der Arbeitsgruppe »Polymer- und Mixed-Matrix-Membranen« auf Kompositmembranen, welche die Vorteile von Polymeren mit den Trenneigenschaften poröser Partikel kombinieren. Dafür werden Mikro- oder Nanopartikel als dispergierte Phase in eine Polymermatrix (kontinuierliche Phase) eingebracht und zu Folien oder dreidimensionalen Strukturen verarbeitet. Neben klassischen Verfahren zur Folienherstellung aus Polymeren nutzen wir auch thermische sowie photochemische Vernetzungsreaktionen von Präpolymeren. Aufgrund der hohen Trennleistung spezieller Füllstoffe können die Nachteile reiner Polymermembranen hinsichtlich Selektivität und Permeabilität überwunden werden.

Eine Kompetenz des Fraunhofer IKTS besteht in der Funktionalisierung der porösen Füllstoffe. Durch eine geeignete Oberflächenfunktionalisierung passen wir die Benetzungseigenschaften der Füllstoffe an die chemisch-pysikalischen Eigenschaften der Polymermatrix an, um eine optimale und stabile Dispergierung zu erreichen. Zudem verbessern wir die Trennleistung der resultierenden Mixed-Matrix-Membranen durch den Einsatz geeigneter Füllstoffe. Darüber hinaus funktionalisieren wir die porösen Füllstoffe auch mit Hilfe reaktiver Gruppen, was zu einer besseren Vernetzung mit der Polymermatrix und dadurch höheren Stabilitäten der Mixed-Matrix-Membranen führt.

Durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Transporteigenschaften haben Mixed-Matrix-Membranen ein enormes Potenzial für Anwendungen in unterschiedlichsten Trennprozessen, wobei sich ein vielseitiges Eigenschaftsprofil insbesondere aus einer Vielzahl unterschiedlicher Polymere ergibt. Durch eine Modifizierung der Membranoberflächen sind wir in der Lage, beispielsweise hydrophile oder hydrophober Eigenschaften einzustellen. Hydrophile Mixed-Matrix-Membranen realisieren wir über chemische und physiko-chemische Verfahren, indem wir beispielsweise durch Bindungsbrüche in der Polymermatrix hydrophile Gruppen an der Oberfläche erzeugen oder SiOx-Schichten aufbringen. Bekannte Technologien dafür sind u. a. Pyrosilverfahren, Ätzverfahren, Oxifluorierung sowie Peroxid-, Ozon-, UV- und Plasma-Behandlungen. Für hydrophobe Mixed-Matrix-Membranen setzen wir geeignete Haftgruppen wie Perfluoralkylketten ein.

Begleitend zur Membranentwicklung testen wir die Mixed-Matrix-Membranen hinsichtlich ihrer Permeabilität und Selektivität. Nach erfolgreicher Prüfung kann auf Kundenwusch auch eine Musterfertigung angeboten werden.


Leistungsangebot
 

  • Entwicklung von Kompositmembranen aus unterschiedlichen Polymeren und porösen mikro- und nanoskaligen Füllstoffen
  • Folienherstellung aus Polymerlösungen oder über thermische sowie photochemische Vernetzung von Präpolymeren
  • Funktionalisierung mikro- und nanoskaliger Füllstoffe (reaktive Gruppen, Anpassung von Benetzungseigenschaften)
  • Modifizierung der Membranoberflächen (Einstellung hydrophiler oder hydrophober Eigenschaften)
  • Membrantestung (Permeabilität und Selektivität)
  • Musterfertigung
© Fraunhofer IKTS
REM-Aufnahme einer Mixed-Matrix-Membran (5–10 µm) auf einer porösen Zwischenschicht und Trägervlies.
© Fraunhofer IKTS
Foliengießanlage zur Herstellung von Mixed-Matrix-Membranen.
© Fraunhofer IKTS
Test-Stack für Mixed-Matrix-Membranen.
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IR-Untersuchung von porösen Füllstoffen: unbeschichtetes (blau) und Vinylsiloxan-beschichtetes (rot) Silikat.
© Fraunhofer IKTS
Kontaktwinkelmessung an einer hydrophilen Mixed-Matrix-Membran.
© Fraunhofer IKTS
Kontaktwinkelmessung an einer hydrophoben Mixed-Matrix-Membran.

Thema

Sol-Gel-Technologie