Development of Stimuli-responsive photopolymers for the 3D-printing of functional active devices

Titel in Übersetzung: Entwicklung Stimuli-responsiver Fotopolymere für den 3D-Druck von funktionalen aktiven Geräten

Usman Shaukat

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Das Ziel der Arbeit bestand darin, neue Stimuli-responsive Materialien zu entwickeln, die durch 3D-Druck mit digitaler Lichtverarbeitung (DLP) verarbeitet werden können, und ihre Anwendbarkeit für weiche Aktuatoren zu optimieren. Um die Ziele zu erreichen, lag ein Hauptaugenmerk der Arbeit auf der Entwicklung Foto-härtbarer Harze, die 3D-druckbar sind und einstellbare thermomechanische Eigenschaften bieten. Weiter wurden dynamische kovalente Bindungen in die Polymernetzwerke eingeführt, die durch thermisch induzierte Umesterungsreaktionen Robotersysteme formbar und heilbar machten.
Als erste Studie wurde eine Reihe dynamischer Thiol-Acrylat-Netzwerke entwickelt und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Harzzusammensetzung, Vernetzungsdichte, mechanischen Eigenschaften und Bindungsaustauschkinetik ermittelt. Hierzu wurde ein saures organisches Phosphat eingeführt, das nicht nur die Harze stabilisierte, sondern auch als effizienter Katalysator für dynamische Bindungsaustauschreaktionen fungierte. Dieser Durchbruch ebnete den Weg zu thermisch verformbaren und wieder verarbeitbaren dynamischen Fotopolymeren. Die Ergebnisse zeigten, dass durch die Anpassung des Netzwerkdesigns die thermomechanischen Eigenschaften über einen weiten Bereich gesteuert werden konnten. Bemerkenswerterweise erleichterte eine hohe Beweglichkeit der Polymerketten zusammen mit der Verfügbarkeit von -OH- und Estergruppen schnelle Bindungsaustauschreaktionen. Weiche Aktuatoren mit hoher Dehnbarkeit und thermischer Formbarkeit wurden erfolgreich per DLP-3D-Druck hergestellt. Darüber hinaus wurde der Multimaterial-DLP-3D-Druck verfolgt, um funktionelle weiche Aktuatoren herzustellen, indem die Vorteile der entwickelten Harzformulierungen kombiniert wurden. Zum Drucken von Prototypen wurden zwei verschiedene Thiol-Acrylat-Harze mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad und stark unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften verwendet, die Formgedächtnis und thermoaktivierten Heilungseigenschaften aufwiesen.
Als nächster Schritt wurden fotolatente Umesterungskatalysatoren genutzt, da sie eine einzigartige Methode zur räumlichen Steuerung dynamischer Bindungsaustauschreaktionen in dynamischen Fotopolymeren bieten. Im unbeleuchteten Zustand verhielten sich die Polymernetzwerke, die die latenten Katalysatoren enthielten, wie ein dauerhaft vernetztes Duromer. Bei Einwirkung von UV-Licht (365 nm) wurden jedoch Brønsted-Säuren freigesetzt, die die Umesterung bei erhöhter Temperatur effizient katalysierten und eine Neuordnung der Netzwerktopologie oberhalb der topologischen Gefriertemperatur (Tv) des Netzwerks ermöglichten. Darüber hinaus ermöglichte die Unempfindlichkeit der Fotolatenten Katalysatoren gegenüber sichtbarem Licht (405 nm) den DLP-3D-Druck anspruchsvoller Architekturen ohne vorzeitige Aktivierung des Katalysators. Die Untersuchungen zeigten, dass die Geschwindigkeit des Bindungsaustauschs von der thermischen Stabilität der freigesetzten Brønsted-Säure, der Größe des Gegenanions und der Quantenausbeute der Spaltungsreaktion beeinflusst wird. In Bereichen, die UV-Licht ausgesetzt waren, zeigten die dynamischen Thiol-Acrylat-Netzwerke ein dreifaches Formgedächtnis, während nicht UV-exponierte Bereiche als einfache Tg-basierte Formgedächtnismaterialien fungierten. Diese kontrollierte Blockierung bestimmter Bereiche während der thermischen Programmierung eröffnete spannende Möglichkeiten für die additive Fertigung funktionaler weicher Aktuatoren.
Um den ökologischen Fußabdruck der Polymermaterialien zu verringern, wurden außerdem biobasierte Pflanzenöle als Bausteine für dynamische Fotopolymere genutzt. Als nachhaltiges Monomer wurde acryliertes Leinöl synthetisiert und mit ausgewählten Thiol-Vernetzern kombiniert. In den Harzformulierungen wurde ein organischer Phosphatester-Katalysator eingesetzt, der effiziente dynamische Austauschreaktionen der im Netzwerk vorhandenen Hydroxy- und Estereinheiten katalysierte. Hervorragende Lagerstabilität und Fotohärtungskinetik erleichterten den DLP-3D-Druck von weichen Aktoren mit Formgedächtniseigenschaften und Formbarkeit.
Um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen weiter zu verringern, wurde ein biobasierter Phosphatester-Katalysator zusammen mit biobasierten Reaktivverdünnern synthetisiert. Dieses Ziel wurde durch die Verwendung von Eugenol als Ausgangsmaterial erreicht, das aus biologisch nachwachsenden Quellen verfügbar ist. Die Harzformulierungen wurden in Hinblick auf die Verarbeitbarkeit im DLP-3D-Druck optimiert und es wurden weiche aktive Strukturen mit Formgedächtnis- und Heilungseigenschaften hergestellt.
Im Rahmen der aktuellen Dissertation wurden hochfunktioneller Materialien entwickelt, die auf einen externen Reiz reagieren, während neuartige Materialkonzepte und Herstellungsansätze integriert wurden, die die Voraussetzungen für verschiedene zukünftige Anwendungen in der intelligenten aktiven Soft-Robotik schaffen.
Titel in ÜbersetzungEntwicklung Stimuli-responsiver Fotopolymere für den 3D-Druck von funktionalen aktiven Geräten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kern, Wolfgang, Mitbetreuer (intern)
  • Schlögl, Sandra, Betreuer (intern)
  • Griesser, Thomas, Beurteiler A (intern)
  • Sangermano, Marco, Beurteiler B (extern), Externe Person
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Digitale Lichtverarbeitung
  • Stimuli-responsive Materialien
  • 3D-Druck
  • Umesterung
  • Fotolatenten Katalysatoren
  • Weiche Robotik
  • Funktionsgeräte
  • Thermische Heilung

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