Forschungs- / Wissenstransfer

Moderne NMR-Analytik für die Kunststoff-, Faser- und Werkstoffindustrie

Unternehmen aus der Kunststoff-, Faser- und Werkstoffindustrie arbeiten kontinuierlich an hochwertigeren und leistungsstärkeren Materialien, die komplexe Anforderungen erfüllen: nachhaltige Kunststoffe, funktionalisierte Polymerblends, Hochleistungs- und biobasierte Fasern.

»Die Leistungsfähigkeit eines Polymermaterials wird maßgeblich durch seine molekulare und übermolekulare Struktur bestimmt«, erläutert Dr. Melanie Bartel, Wissenschaftlerin im Bereich Polymer Engineering am Fraunhofer IAP. »Wer neue Werkstoffe entwickeln oder bestehende Produkte optimieren möchte, muss die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Struktur und den Materialeigenschaften verstehen, die daraus resultieren. Genau hier liefert die NMR-Analytik hochpräzise und quantifizierbare Struktur-Informationen, die mit anderen analytischen Verfahren häufig nur qualitativ oder in Kombination zugänglich sind«, so Bartel.

Die neue NMR-Ausstattung am Fraunhofer IAP ermöglicht es, polymere Systeme in Lösung, als Gel und als Feststoff auf molekularer Ebene zu analysieren. So lassen sich sowohl Änderungen der chemischen Struktur als auch der Molekülanordnung nachvollziehen – etwa bei der Umwandlung von Carbonfaser-Vorläufermaterialen (Präkursoren) zu Carbonfasern oder bei der Modifizierung biobasierter Polymere.

NMR-Infrastruktur für Materialforschung, Prozessverständnis und Qualitätskontrolle

Herzstück der Infrastruktur ist ein 500 MHz NMR-Spektrometer mit drei zusätzlichen Probenköpfen. Flüssigkeiten, Gele und Feststoffe können damit an nur einem Spektrometer analysiert werden. Das erweitert die Möglichkeiten in der Qualitätskontrolle, bei der Untersuchung von Prozessüberständen und bei der Analyse von Strukturänderungen entlang der gesamten Prozesskette.

»Unsere Partner erhalten speziell auf ihre Fragestellung abgestimmte Probenvorbereitungen, angepasste Messbedingungen und Antworten«, betont Bartel. Und weiter: »Wir können zeigen, welche Strukturänderungen während einer Synthese oder Verarbeitung auftreten und wie diese mit den Materialeigenschaften korrelieren. Das hilft, Fehlentwicklungen frühzeitig zu erkennen und Optimierungsprozesse gezielter zu steuern.« Zudem ermöglicht NMR-Analytik, die Zusammensetzung unbekannter Materialien und darin enthaltener Additive zu entschlüsseln.

Diffusions-NMR für die Analyse komplexer Stoffgemische und Formulierungen

Mit der Diffusions-NMR ist ein weiteres Werkzeug hinzugekommen, um komplexe Substanzgemische in Lösung und Diffusionsprozesse deutlich umfassender zu charakterisieren als bisher. Das Verfahren unterscheidet Polymere, Oligomere und Monomere anhand ihrer Beweglichkeit im Lösungsmittel und liefert dadurch zusätzliche Informationen über Molekülgrößen, den spezifischen Transport von Wirkstoffen und Dynamiken. Für Unternehmen ist das besonders relevant, wenn komplexe Formulierungen oder Vorprodukte bewertet werden sollen – etwa bei Harzen, Lacken oder Faservorprodukten. Auch Diffusionsprozesse in einzelnen Prozessschritten lassen sich besser beurteilen, da Diffusionskoeffizienten einzelner Bestandteile detektiert und Einblicke in die Mobilität und Wechselwirkung von Molekülen gewonnen werden können.

NMR-Messungen unter praxisnahen Temperaturbedingungen

Eine erweiterte Temperiereinheit ermöglicht Messungen in einem Bereich von minus 150 bis plus 150 Grad Celsius. Reaktionen lassen sich damit direkt unter praxisnahen Bedingungen im NMR-Spektrometer verfolgen. Unternehmen gewinnen so Einblicke in Reaktionskinetik, Temperaturfenster und Prozessstabilität. Diese Informationen können unmittelbar in die Auslegung und Verbesserung industrieller Prozesse einfließen – beispielsweise bei thermisch sensiblen Materialien, reaktiven Harzsystemen oder temperaturabhängigen Umwandlungsprozessen.

Mikroplastik-Analytik in Böden und Umweltproben

Auch bei der Analyse von Bodenproben eröffnet die NMR neue Möglichkeiten. So lässt sich die Mikroplastikkontamination in verschiedenen Böden schnell und effizient untersuchen. Die Methode ermöglicht die Charakterisierung polymerer Bestandteile in komplexen Bodenmatrizes sowie die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Mikroplastikpartikeln. Damit unterstützt die NMR-Analytik die Unterscheidung verschiedener Polymerarten und schafft eine verlässliche analytische Datengrundlage für Umweltbewertungen, Eintragsanalysen und Stoffstromuntersuchungen. Ob Humus, Wald-, Agrar- oder Meeresboden: Die Festkörper-NMR liefert wertvolle Einblicke in die Art und das Ausmaß der Kunststoffbelastung unterschiedlicher Ökosysteme.

Carbonfasern mit NMR gezielt optimieren und Prozesse besser verstehen

Carbonfaser-Präkursoren, also die polymeren Vorläufermaterialien, durchlaufen während der Umwandlung zu Carbonfasern mehrere Zwischenstufen, die sich mit klassischen Analyseverfahren kaum untersuchen lassen. Hier spielt die Festkörper-NMR ihre besonderen Stärken aus. Die neue Ausstattung macht chemische Strukturveränderungen in diesen Phasen sichtbar und schafft eine fundierte Grundlage, um Herstellungsprozesse gezielt zu optimieren. »Für die Entwicklung leistungsfähiger Carbonfasern ist es entscheidend zu verstehen, welche molekularen und übermolekularen Veränderungen während der thermischen Konvertierung stattfinden«, erklärt Bartel. »Mit der erweiterten Festkörper-NMR können wir diese Prozesse deutlich detaillierter untersuchen und Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen systematisch aufklären.«

NMR-Analytik unterstützt aktuelle Carbonfaser-Entwicklungsprojekte

Die Forschenden am Fraunhofer IAP setzen die leistungsstarke NMR-Analytik bereits erfolgreich in verschiedenen Carbonfaserprojekten ein. So stehen im Rahmen der CarbonLabFactory Brandenburg, einem Vorhaben des BMWE-Förderprogramms STARK, neuartige ultrahochmolekulare Polyacrylnitril (PAN)-Copolymere im Mittelpunkt, die sich besonders zur Herstellung hochfester Carbonfasertypen eignen. Im Projekt ComCarbon entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schmelzspinnbare PAN-Copolymere, die den Herstellungsprozess von Carbonfasern deutlich wirtschaftlicher gestalten können.

Analytik und Materialinnovation aus einer Hand

Unternehmen und Forschungseinrichtungen erhalten beim Fraunhofer IAP ein umfassendes Analytik- und Entwicklungsangebot aus einer Hand – von der Probenvorbereitung über die Entwicklung individueller Messstrategien bis zur Interpretation der Ergebnisse. Die Expertinnen und Experten des Instituts unterstützen ihre Partner dabei, konkrete Fragestellungen aus Forschung, Entwicklung und Qualitätskontrolle effizient zu beantworten. Die neue NMR-Infrastruktur steht für gemeinsame Entwicklungsprojekte, für industrielle Kooperationen zur Strukturaufklärung sowie langfristige Forschungs- und Innovationskooperationen zur Verfügung.

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Weitere Informationen:
https://www.iap.fraunhofer.de/de/Pressemitteilungen/2026/neue-nmr-analytik-staerkt-materialforschung.html