TY - THES

T1 - Thermische Aktivierung von Vitrimeren durch thermisch-latente Katalysatoren

AU - Kriehuber, Matthias Udo

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Forschung zu chemisch induzierten selbstheilenden Materialien hat in den letzten Jahren aufgrund der umweltfreundlichen Möglichkeit der Abfallreduzierung und der erhöhten Langlebigkeit zukünftiger polymerbasierter Produkte zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Vitrimere sind herausragende intrinsisch heilbare Polymere, die in der Lage sind, thermoaktivierte, dynamisch assoziative Austauschreaktionen einzugehen. Oberhalb der Topologie-Gefrierübergangstemperatur (TV) werden die Austauschreaktionen signifikant schnell. Das polymere Netzwerk hat dadurch die Fähigkeit, vergleichbar wie eine viskoelastische Flüssigkeit zu fließen, obwohl es sich immer noch in einem vernetzten Zustand befindet. Vitrimere, die auf einen dynamischen Austausch von Hydroxylgruppen und Esterbindungen beruhen, benötigen die Zugabe eines Umesterungskatalysators, um einen Bindungsaustausch im kovalent verbundenen dreidimensionalen vitrimeren Netzwerk bei einer Temperatur größer als TV zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden ausgewählte thermolatente Basen (Thermo Base Generators, TBGs) als eine neue Generation von Umesterungskatalysatoren synthetisiert. Es wurde eine Reihe von quartären Ammoniumsalzen (QAS) hergestellt und die thermisch ausgelöste Freisetzung der Base mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA), Emissionsgasthermoanalyse (EGA), NMR-Spektroskopie und Basizitätstests untersucht. Die Salzbildung erfolgte in Gegenwart von Carboxylaten von schwachen Carbonsäuren. Nach Erreichen einer definierten Aktivierungstemperatur für den TBG (TTBG) bei einer definierten Aktivierungszeit (tTBG) findet eine Decarboxylierung der gebundenen Säure statt. Aufgrund dieser Decarboxylierung zerfällt die Säure in niedermolekulare Produkte und die Base wird kontrolliert freigesetzt. Durch die Erhöhung der Basizität im Netzwerk kann eine Umesterung bei Temperaturen über TV stattfinden. Die synthetisierten TBGs wurden in verschiedenen Netzwerken, wie Thiol-Epoxy und Thiol-En inkorporiert. Die Eigenschaften der Netzwerke wurden vor und nach der gezielten thermischen Aktivierung der Base miteinander verglichen. Aus den Ergebnissen der Spannungsrelaxationsversuche kann geschlossen werden, dass die Austauschreaktionen durch die thermisch gesteuerte Freisetzung der Base aktiviert werden. Aufgrund ihrer verbesserten Langlebigkeit gibt es ein breites Anwendungsfeld für zukünftige polymerbasierte Produkte, die von den Fähigkeiten der selbstheilenden Materialeigenschaften dieser thermisch aktivierbaren Vitrimere profitieren werden, darunter Automobil-, Eisenbahn- oder Flugzeugindustrie.

AB - Die Forschung zu chemisch induzierten selbstheilenden Materialien hat in den letzten Jahren aufgrund der umweltfreundlichen Möglichkeit der Abfallreduzierung und der erhöhten Langlebigkeit zukünftiger polymerbasierter Produkte zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Vitrimere sind herausragende intrinsisch heilbare Polymere, die in der Lage sind, thermoaktivierte, dynamisch assoziative Austauschreaktionen einzugehen. Oberhalb der Topologie-Gefrierübergangstemperatur (TV) werden die Austauschreaktionen signifikant schnell. Das polymere Netzwerk hat dadurch die Fähigkeit, vergleichbar wie eine viskoelastische Flüssigkeit zu fließen, obwohl es sich immer noch in einem vernetzten Zustand befindet. Vitrimere, die auf einen dynamischen Austausch von Hydroxylgruppen und Esterbindungen beruhen, benötigen die Zugabe eines Umesterungskatalysators, um einen Bindungsaustausch im kovalent verbundenen dreidimensionalen vitrimeren Netzwerk bei einer Temperatur größer als TV zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden ausgewählte thermolatente Basen (Thermo Base Generators, TBGs) als eine neue Generation von Umesterungskatalysatoren synthetisiert. Es wurde eine Reihe von quartären Ammoniumsalzen (QAS) hergestellt und die thermisch ausgelöste Freisetzung der Base mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA), Emissionsgasthermoanalyse (EGA), NMR-Spektroskopie und Basizitätstests untersucht. Die Salzbildung erfolgte in Gegenwart von Carboxylaten von schwachen Carbonsäuren. Nach Erreichen einer definierten Aktivierungstemperatur für den TBG (TTBG) bei einer definierten Aktivierungszeit (tTBG) findet eine Decarboxylierung der gebundenen Säure statt. Aufgrund dieser Decarboxylierung zerfällt die Säure in niedermolekulare Produkte und die Base wird kontrolliert freigesetzt. Durch die Erhöhung der Basizität im Netzwerk kann eine Umesterung bei Temperaturen über TV stattfinden. Die synthetisierten TBGs wurden in verschiedenen Netzwerken, wie Thiol-Epoxy und Thiol-En inkorporiert. Die Eigenschaften der Netzwerke wurden vor und nach der gezielten thermischen Aktivierung der Base miteinander verglichen. Aus den Ergebnissen der Spannungsrelaxationsversuche kann geschlossen werden, dass die Austauschreaktionen durch die thermisch gesteuerte Freisetzung der Base aktiviert werden. Aufgrund ihrer verbesserten Langlebigkeit gibt es ein breites Anwendungsfeld für zukünftige polymerbasierte Produkte, die von den Fähigkeiten der selbstheilenden Materialeigenschaften dieser thermisch aktivierbaren Vitrimere profitieren werden, darunter Automobil-, Eisenbahn- oder Flugzeugindustrie.

KW - vitrimers

KW - thermally-latent catalysts

KW - transesterification catalyst

KW - thermo base generators

KW - TBG

KW - Vitrimere

KW - thermisch-latente Katalysatoren

KW - Umesterungskatalysatoren

KW - thermolatente Basen

KW - Thermo Base Generators

KW - TBG

M3 - Masterarbeit

ER -