Design and characterization of elastomers with dynamic covalent bonds

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Konventionelle Elastomere enthalten kovalente Vernetzungsstellen, welche diesen hervorragende chemische und physikalische Eigenschaften verleihen wie beispielsweise eine außergewöhnliche Elastizität. Ähnlich wie für Duromere erschweren die permanenten Bindungen jedoch eine nachhaltigere Herstellung solcher Polymere, indem sie eine Anpassungsfähigkeit und Weiterverarbeitung nach deren Aushärtung verhindern. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung stimuli-responsiver Elastomere aus einem hydrierten und carboxylierten Nitrilbutadienkautschuk (HXNBR). Durch die Inkorporation reversibler Vernetzungsstellen wurde eine zeitaufgelöste Anpassungsfähigkeit der hergestellten Netzwerke bei Anwendung des entsprechenden Stimulus erwartet. Die detaillierte Charakterisierung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Materialien hat ergeben, dass die Anwendung des Stimulus eine makroskopische Reaktion induziert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Inkorporierung reversibler kovalenter Vernetzungsstellen in HXNBR verfolgt, welche Bindungsaustauschreaktionen eingehen können die auf einem dissoziativen Mechanismus beruhen. Die kovalente Anbindung eines Anthracen-Derivates an HXNBR ermöglichte eine lichtinduzierte Vernetzung der Polymerketten über die [4+4]-Cycloaddition. Danach wurde die Möglichkeit zur kontrollierten Spaltung der Photodimere mittels Wärme oder UV-Licht bestätigt sowie die Wiederholbarkeit einer mehrmaligen Vernetzung mit anschließender Spaltung. Die einhergehende Einstellbarkeit der Viskoelastizität der Netzwerke wurde für schaltbare Klebeeigenschaften genutzt, wobei die Adaptierungen aufgrund der Lichtsensitivität der Materialien ortsaufgelöst möglich waren. So wurde die potenzielle Anwendbarkeit der Elastomere als reversibler Trockenklebstoff aufgezeigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Inkorporierung von dynamischen kovalenten Vernetzungsstellen in HXNBR erforscht, welche auf einem assoziativen Bindungsaustauschmechanismus in Anlehnung an Vitrimer-Chemie beruhen. So wurde HXNBR erstmals mit β-Hydroxyester-Bindungen ausgestattet, die in Anwesenheit eines Katalysators thermisch induzierte Umesterungen eingehen konnten, was Spannungsrelaxationen der Netzwerke ermöglichte. Die Anpassungsfähigkeit der Materialien wurde mittels Zugscher-, Verformungs- und Zeitstandsversuchen veranschaulicht, die eine gewisse Schweißbarkeit, Reprozessierbarkeit und Heilbarkeit aufzeigen. Die vorliegende Studie präsentiert eine praktikable und hochskalierbare Vorgehensweise hin zu vitrimerähnlichen Elastomeren und beruht auf einfachen chemischen Konzepten sowie großtechnisch verfügbaren Materialien. Der dritte Teil der Arbeit behandelte die Synthese von gefüllten, vitrimerähnlichen Kompositen aus HXNBR. Die Kombination von Füllstoff und Vernetzungschemikalie in Form oberflächenmodifizierter Füllstoffpartikel erzielte eine bedeutende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Materialien. Gleichzeitig zeigten die Komposite eine thermische Anpassungsfähigkeit in Anwesenheit eines Katalysators, ermöglicht durch die Austauschbarkeit der kovalenten Bindungen an der Kautschuk-Füllstoff-Grenzfläche. Die Netzwerkdynamik der Komposite konnte dabei im Vergleich zu den ungefüllten Materialien nahezu erhalten werden, sogar für Füllstoffanteile von bis zu 30 phr. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Analysemethode zur Bestimmung der Vitrifizierungstemperatur (Tv) von Vitrimeren erarbeitet. Die direkte und präzise Erfassung des Tv mittels Messmethoden wie der dynamisch-mechanische Analyse (DMA) oder dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) ist nicht möglich. So wurde am Beispiel diverser Epoxy-Vitrimere aufgezeigt, dass die genaue Messung des Tv mittels Kriechversuchen unter Zugbeanspruchung dann möglich ist, wenn eine geeignete äußere Kraft angewendet wird. Diese neue Methode stellt eine einfache Messprozedur dar, die eine direkte Messung des Tv von Vitri

Details

Titel in ÜbersetzungDesign und Charakterisierung von Elastomeren mit dynamischen kovalenten Bindungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2020