TY - THES

T1 - Thiol-En basierte Vitrimere für Formgedächtnis-unterstützte Selbstheilung von Photopolymeren

AU - Hron, Tiago

N1 - gesperrt bis null

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Vitrimere reihen sich als neue Kunststoffklasse zwischen Duromeren und thermoplastischen Kunststoffen ein. Während ihre Polymerketten untereinander kovalent vernetzt sind und Vitrimere dementsprechend bei niedrigeren Temperaturen hervorragende mechanische Eigenschaften und eine hohe Beständigkeit aufweisen, sind diese Netzwerkstellen bei höheren Temperaturen aufgrund von Umtauschreaktionen anpassungsfähig. Vitrimere können somit umgeformt werden und sind schweißbar. Diese Eigenschaft macht sie sehr interessant für Selbstheilung, Recycling und Werkstoffe mit Formgedächtniseigenschaften. In dieser Arbeit wurde ein auf einem Thiol-En-Photopolymer basierendes Vitrimer entwickelt und charakterisiert. Anschließend wurde untersucht, ob es sich für die Anwendung von Formgedächtnis-unterstützter Selbstheilung eignet. Die dynamisch-mechanische Analyse zeigte einen linearen Zusammenhang zwischen dem Thiolgehalt und der Glasübergangstemperatur (Tg) der entsprechenden Photopolymere. Bei 14 mol% Thiolgehalt lag der Tg bei 30 °C und für 3.5 mol% bei 58 °C. Dadurch ergab sich ein gutes Anwendungsfenster für Formgedächtnisstudien. Die thermogravimetrische Analyse ergab eine ausreichende thermische Beständigkeit und ein Spannungsrelaxationsversuch wies ein kovalentes, adaptierbares Netzwerk nach. Weiter zeigte die Bestimmung der Reaktionskinetik eine schnelle Aushärtung und hohe Umsätze der Acrylat- und Thiol-Komponenten. Anschließend wurden Prüfkörper hergestellt, unter Temperatur gedehnt und durch definierte Risseinbringung beschädigt. Der Riss schloss sich anschließend unter erhöhter Temperatur aufgrund des Formgedächtnisses, woraufhin in weiterer Folge eine Heilung über thermisch aktivierte, dynamische Austauschreaktionen ermöglicht wurde. Unter dem Mikroskop konnte der Rissschließungsprozess beobachtet werden. Je geringer der Thiolgehalt und je größer der Riss war, desto schwieriger gestaltete sich die chemische Heilung. Bei geeigneter Netzwerkzusammensetzung konnte jedoch in einem abschließenden Zugversuch gezeigt werden, dass ein geheilter Prüfkörper nahezu dieselbe Rissfestigkeit und Dehnung wie ein unbeschädigter Prüfkörper aufwies. Der Riss war keine Schwachstelle mehr und der Prüfkörper versagte kohäsiv an einer anderen Stelle des Prüfkörpers.

AB - Vitrimere reihen sich als neue Kunststoffklasse zwischen Duromeren und thermoplastischen Kunststoffen ein. Während ihre Polymerketten untereinander kovalent vernetzt sind und Vitrimere dementsprechend bei niedrigeren Temperaturen hervorragende mechanische Eigenschaften und eine hohe Beständigkeit aufweisen, sind diese Netzwerkstellen bei höheren Temperaturen aufgrund von Umtauschreaktionen anpassungsfähig. Vitrimere können somit umgeformt werden und sind schweißbar. Diese Eigenschaft macht sie sehr interessant für Selbstheilung, Recycling und Werkstoffe mit Formgedächtniseigenschaften. In dieser Arbeit wurde ein auf einem Thiol-En-Photopolymer basierendes Vitrimer entwickelt und charakterisiert. Anschließend wurde untersucht, ob es sich für die Anwendung von Formgedächtnis-unterstützter Selbstheilung eignet. Die dynamisch-mechanische Analyse zeigte einen linearen Zusammenhang zwischen dem Thiolgehalt und der Glasübergangstemperatur (Tg) der entsprechenden Photopolymere. Bei 14 mol% Thiolgehalt lag der Tg bei 30 °C und für 3.5 mol% bei 58 °C. Dadurch ergab sich ein gutes Anwendungsfenster für Formgedächtnisstudien. Die thermogravimetrische Analyse ergab eine ausreichende thermische Beständigkeit und ein Spannungsrelaxationsversuch wies ein kovalentes, adaptierbares Netzwerk nach. Weiter zeigte die Bestimmung der Reaktionskinetik eine schnelle Aushärtung und hohe Umsätze der Acrylat- und Thiol-Komponenten. Anschließend wurden Prüfkörper hergestellt, unter Temperatur gedehnt und durch definierte Risseinbringung beschädigt. Der Riss schloss sich anschließend unter erhöhter Temperatur aufgrund des Formgedächtnisses, woraufhin in weiterer Folge eine Heilung über thermisch aktivierte, dynamische Austauschreaktionen ermöglicht wurde. Unter dem Mikroskop konnte der Rissschließungsprozess beobachtet werden. Je geringer der Thiolgehalt und je größer der Riss war, desto schwieriger gestaltete sich die chemische Heilung. Bei geeigneter Netzwerkzusammensetzung konnte jedoch in einem abschließenden Zugversuch gezeigt werden, dass ein geheilter Prüfkörper nahezu dieselbe Rissfestigkeit und Dehnung wie ein unbeschädigter Prüfkörper aufwies. Der Riss war keine Schwachstelle mehr und der Prüfkörper versagte kohäsiv an einer anderen Stelle des Prüfkörpers.

KW - vitrimers

KW - shape memory

KW - self-healing

KW - photopolymers

KW - Vitrimere

KW - Formgedächtnis

KW - Selbstheilung

KW - Photopolymere

M3 - Masterarbeit

ER -