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Thermomechanisches Verhalten von semikristallinem Polyester-Urethan

  • Formgedächtnispolymere werden durch thermomechanische Vorbehandlung, die Programmierung, in eine temporäre Form überführt. In die Ursprungsform kehren sie dann erst nach externer Stimulierung, durch Auslösen des Formgedächtniseffekts, wieder zurück. Um diesen Effekt zu optimieren, werden in dieser Arbeit thermomechanische Designoptionen analysiert und Stellschrauben der Programmierung diskutiert. Quantifiziert wird das Materialverhalten eines physikalisch vernetzten Polyurethans mit semikristalliner Polyester-Weichsegmentphase (PEU) in thermomechanischen Messungen, in denen das Polymer Dehnungen bis über 1000% fixiert. Deformationen im breiten Schmelzübergangsbereich der Weichsegmentphase ermöglichen die präzise Kontrolle über die Temperaturen der Dehnungs- und Spannungsrückstellung, den bekannten Temperaturgedächtniseffekt (TGE). Erst durch eine neuartige Programmierung wird jedoch der Beginn der Rückstellung einstellbar. Für diesen Onset-TGE wird das PEU direkt nachFormgedächtnispolymere werden durch thermomechanische Vorbehandlung, die Programmierung, in eine temporäre Form überführt. In die Ursprungsform kehren sie dann erst nach externer Stimulierung, durch Auslösen des Formgedächtniseffekts, wieder zurück. Um diesen Effekt zu optimieren, werden in dieser Arbeit thermomechanische Designoptionen analysiert und Stellschrauben der Programmierung diskutiert. Quantifiziert wird das Materialverhalten eines physikalisch vernetzten Polyurethans mit semikristalliner Polyester-Weichsegmentphase (PEU) in thermomechanischen Messungen, in denen das Polymer Dehnungen bis über 1000% fixiert. Deformationen im breiten Schmelzübergangsbereich der Weichsegmentphase ermöglichen die präzise Kontrolle über die Temperaturen der Dehnungs- und Spannungsrückstellung, den bekannten Temperaturgedächtniseffekt (TGE). Erst durch eine neuartige Programmierung wird jedoch der Beginn der Rückstellung einstellbar. Für diesen Onset-TGE wird das PEU direkt nach dem Recken entlastet und danach unter die Kristallisationstemperatur abgekühlt. In situ Röntgenstreuung zeigt, dass durch den frühen Entlastungszeitpunkt nur der Teil der kristallinen Weichsegmentphase zur Fixierung beiträgt, der auch beim Recken kristallin ist. Die Kristallinität bietet daher eine Stellschraube, um das thermomechanische Verhalten zu veredeln. Über die Optimierungsparameter Reckrate, Temperaturhaltezeit und maximale Dehnung erzielt das PEU hohe Fixierbarkeiten und Rückstellspannungen, ohne die Rückstellung und den Onset-TGE zu beeinträchtigen. Durch die Erweiterung der Programmierung des Onset-TGEs hin zu einer zweiten Deformation und Entlastung innerhalb des Schmelzübergangs zeigt das PEU einen bisher nicht berichteten zweistufigen Spannungsanstieg während der Rückstellung. Ein Temperaturlimit für den Onset-TGE stellt die Peak-Schmelztemperatur aus der dynamischen Differenzkalorimetrie dar. Durch die verbleibende Kristallinität oberhalb dieser Temperatur führt die Deformation und Entlastung direkt zur thermoreversiblen Aktuation mit Dehnungsänderungen bis zu 28%. Die Ergebnisse werden auf einen Miniaturisierungsansatz für schaltbare Informationsträger übertragen, mit denen eine maschinenlesbare Information von nichtlesbar nach lesbar geschaltet werden kann. In einer Machbarkeitsstudie wird der für Sensoranwendungen vielversprechende Onset-TGE genutzt, um die Lesbarkeit der Informationsträger bei einer vordefinierten Temperatur zu schalten. Das erweitert das potentielle Anwendungsfeld der Technologie vom Produkt- und Markenschutz zur Überwachung von Kühlketten.zeige mehrzeige weniger
  • Shape memory polymers are able to change their shape upon application of an external stimulus. This behavior requires a thermomechanical treatment, so-called programming, to establish a temporary shape. To optimize the shape memory performance, thermomechanical design options will be analyzed and programming parameters discussed in the present thesis. The material behavior of a physically crosslinked polyurethane with semicrystalline polyester soft segments (PEU) is quantified by thermomechanical measurements, where the polymer fixes strains of above 1000%. The deformation within the broad melting transition of the soft segment phase enables the precise control over the temperatures of strain and stress recovery, also known as temperature-memory effect (TME). But only the herein introduced programming route, consisting in elongation and unloading prior to cooling below the crystallization transition, allows for fine-tuning the beginning of recovery. For the resulting onset-TME in situShape memory polymers are able to change their shape upon application of an external stimulus. This behavior requires a thermomechanical treatment, so-called programming, to establish a temporary shape. To optimize the shape memory performance, thermomechanical design options will be analyzed and programming parameters discussed in the present thesis. The material behavior of a physically crosslinked polyurethane with semicrystalline polyester soft segments (PEU) is quantified by thermomechanical measurements, where the polymer fixes strains of above 1000%. The deformation within the broad melting transition of the soft segment phase enables the precise control over the temperatures of strain and stress recovery, also known as temperature-memory effect (TME). But only the herein introduced programming route, consisting in elongation and unloading prior to cooling below the crystallization transition, allows for fine-tuning the beginning of recovery. For the resulting onset-TME in situ X-ray scattering indicates that only soft segment crystals contribute to fixation, which are crystalline during deformation. Therefore, the crystallinity opens the door for gaining precisely control over the thermomechanical behavior. Optimization parameters for reaching high strain fixities and recovery stresses without compromising recovery nor the onset-TME are found in the strain rate, temperature holding time and maximum strain. When extending the programming route for onset-TMEs towards a second deformation and unloading step of PEU within the melting transition, an unreported two-step stress recovery is rendered possible. However, the peak melting temperature determined from differential scanning calorimetry represents a temperature limit for the onset control. Through the residual crystallinity above that temperature, deformation and unloading yield thermoreversible actuation with strain changes up to 28%. The findings are transferred to a miniaturization approach for switchable information carriers for switching encoded information from machine-unreadable to readable. In a proof-of-concept study the onset-TME – promising for sensor applications – can be exploited in order to predefine a temperature threshold value for readability of information carriers. This behavior widen their potential applicability from product and brand protection to cold chain supervision.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Nikolaus Mirtschin
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (156)
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2017
Organisationseinheit der BAM:6 Materialschutz und Oberflächentechnik
6 Materialschutz und Oberflächentechnik / 6.5 Polymere in Life Science und Nanotechnologie
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III − Prozesswissenschaften
Gutachter/innen:Claudia Fleck, Thorsten Pretsch, Manfred H. Wagner
Datum der Abschlussprüfung:17.11.2016
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:156
Erste Seite:iii
Letzte Seite:150
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:Formgedächtnispolymere; Polyester-Urethan; Programmierung; Temperaturgedächtnispolymere; Thermomechanische Eigenschaften
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Umwelt
Material
Analytical Sciences
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-399648
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-9818270-5-7
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung
Datum der Freischaltung:27.04.2017
Referierte Publikation:Nein