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Shape Memory and Actuation Behavior of Semicrystalline Polymer Networks

  • Shape memory polymers (SMPs) can change their shape on application of a suitable stimulus. To enable such behavior, a ‘programming’ procedure fixes a deformation, yielding a stable temporary shape. In thermoresponsive SMPs, subsequent heating triggers entropy-elastic recovery of the initial shape. An additional shape change on cooling, i.e. thermoreversible two-way actuation, can be stimulated by a crystallization phenomenon. In this thesis, cyclic thermomechanical measurements systematically determined (1) the shape memory and (2) the actuation behavior under constant load as well as under stress-free conditions. Chemically cross-linked, star-shaped polyhedral oligomeric silsesquioxane polyurethane (SPOSS-PU) hybrid polymer networks and physically cross-linked poly(ester urethane) (PEU) block copolymers were investigated around the melting and crystallization temperatures of their polyester soft segments. (1) The SPOSS-PUs showed excellent shape fixities and recoverabilities of almostShape memory polymers (SMPs) can change their shape on application of a suitable stimulus. To enable such behavior, a ‘programming’ procedure fixes a deformation, yielding a stable temporary shape. In thermoresponsive SMPs, subsequent heating triggers entropy-elastic recovery of the initial shape. An additional shape change on cooling, i.e. thermoreversible two-way actuation, can be stimulated by a crystallization phenomenon. In this thesis, cyclic thermomechanical measurements systematically determined (1) the shape memory and (2) the actuation behavior under constant load as well as under stress-free conditions. Chemically cross-linked, star-shaped polyhedral oligomeric silsesquioxane polyurethane (SPOSS-PU) hybrid polymer networks and physically cross-linked poly(ester urethane) (PEU) block copolymers were investigated around the melting and crystallization temperatures of their polyester soft segments. (1) The SPOSS-PUs showed excellent shape fixities and recoverabilities of almost 100% at high cross-linking density, while PEUs exhibited pronounced shape memory properties at increased soft segment content. Furthermore, two-fold programmed SPOSS-PU specimens were able to recover their initial shape in two thermally separated events. Even a neck, which formed during deformation of SPOSS-PUs with high soft segment content, was reversed. (2) In PEUs, globally oriented crystallization on cooling drove expansion of the sample, in particular at high soft segment content and after application of a strong deformation. Melting reversed that orientation; the PEU sample contracted and thereby completed the thermoreversible actuation cycle. Under load, multiple polymorphic phase transitions enabled two successive expansion and contraction steps, while under stress-free conditions various geometric shape changes, including the increase and decrease of PEU sample length and thickness as well as twisting and untwisting could be experimentally witnessed. Such actuation technology allows for entirely new applications, enabling mimicry of reversible, bidirectional and repeated organic movements.zeige mehrzeige weniger
  • Formgedächtnispolymere (FGPe) können unter Einwirkung eines geeigneten Stimulus ihre Form verändern. Um dieses Verhalten zu ermöglichen, wird eine Deformation mittels ‘Programmierungs’- Verfahren fixiert, wobei das FGP eine stabile, temporäre Form einnimmt. In thermoresponsiven FGPen löst anschließendes Erwärmen entropieelastische Rückstellung in die ursprüngliche Form aus. Um thermoreversible Zweiwege-Aktuation zu realisieren, kann eine zusätzliche Formänderung beim Abkühlen durch ein Kristallisationsphänomen hervorgerufen werden. Mittels zyklischer thermomechanischer Messungen wurden (1) die Formgedächtniseigenschaften (FGEen) und (2) das thermoreversible Aktuationsverhalten sowohl unter konstanter Auflast als auch unter spannungsfreien Bedingungen quantifiziert. Sternförmige Hybridpolymernetzwerke, chemisch quervernetzt durch polyedrisches oligomeres Silsesquioxan und Polyurethan (SPOSSPU) und physikalisch quervernetzte Poly(ester urethan)-Blockcopolymere (PEUe) wurden im BereichFormgedächtnispolymere (FGPe) können unter Einwirkung eines geeigneten Stimulus ihre Form verändern. Um dieses Verhalten zu ermöglichen, wird eine Deformation mittels ‘Programmierungs’- Verfahren fixiert, wobei das FGP eine stabile, temporäre Form einnimmt. In thermoresponsiven FGPen löst anschließendes Erwärmen entropieelastische Rückstellung in die ursprüngliche Form aus. Um thermoreversible Zweiwege-Aktuation zu realisieren, kann eine zusätzliche Formänderung beim Abkühlen durch ein Kristallisationsphänomen hervorgerufen werden. Mittels zyklischer thermomechanischer Messungen wurden (1) die Formgedächtniseigenschaften (FGEen) und (2) das thermoreversible Aktuationsverhalten sowohl unter konstanter Auflast als auch unter spannungsfreien Bedingungen quantifiziert. Sternförmige Hybridpolymernetzwerke, chemisch quervernetzt durch polyedrisches oligomeres Silsesquioxan und Polyurethan (SPOSSPU) und physikalisch quervernetzte Poly(ester urethan)-Blockcopolymere (PEUe) wurden im Bereich der Schmelz- und Kristallisationstemperaturen ihrer Polyesterweichsegmente untersucht. (1) Insbesondere die SPOSS-PUs mit hoher Quervernetzungsdichte zeigten Formfixier- und Formrückstellbarkeiten von nahezu 100%, während PEUs ausgeprägte FGEen bei hohem eichsegmentanteil aufwiesen. In zweifach programmierten SPOSS-PUs ließen sich darüber hinaus zwei thermisch separierte Rückstellungen induzieren. Selbst eine Einschnürung, die sich während der Verformung von SPOSS-PUs mit hohem Weichsegmentanteil gebildet hatte, war reversibel. (2) Global orientierte Kristallisation führte bei Abkühlung zur Expansion der PEU-Proben, vor allem bei hohem Weichsegmentanteil und nach dem Aufbringen einer starken Deformation. Schmelzen revidierte die Orientierung; die PEU-Probe kontrahierte und komplettierte damit den thermoreversiblen Aktuationszyklus. Unter Auflast konnten multiple Phasenübergänge im polymorphen Weichsegment zwei aufeinander folgende Expansions- und Kontraktionsschritte auslösen, während spannungsfrei verschiedene Formänderungen, z.B. die Zu- und Abnahme von Probenlänge und -dicke sowie Ver- und Entdrehen einer Probe experimentell belegt werden konnten. Die vorgestellte Aktuatortechnologie ermöglicht völlig neue Anwendungen, die bidirektionale, organische Bewegungen nachahmen und wiederholen können.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Martin Bothe
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (121)
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2014
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Gutachter*innen:Michael Gradzielski, Michael Maskos
Datum der Abschlussprüfung:16.07.2014
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:121
Erste Seite:1
Letzte Seite:139
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Freie Schlagwörter:Actuation; Polymorphism; Semicrystalline; Shape Memory Polymers; Training
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-372
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-9816668-1-6
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:23.01.2015
Jahr der Fertigstellung:2014
Referierte Publikation:Nein
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