Nanocomposite Hydrogels - Fracture Toughness and Energy Dissipation Mechanisms

Titel in Übersetzung: Nanocomposite Hydrogele – Bruchzähigkeit und Mechanismen zur Energiedissipation

Andrea Klein

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Traditionelle Hydrogele bestehen aus organisch vernetzten Polymer-Netzwerken mit hohem Wassergehalt. Aufgrund außergewöhnlicher Charakteristiken wie hervorragender Transparenz und exzellenten Quelleigenschaften sind sie für diverse biomedizinische Anwendungen, z.B. Kontaktlinsen, attraktiv. Der Einsatz von Hydrogelen in Zukunftstechnologien, etwa für künstliche Muskeln, ist derzeit aufgrund ungenügender mechanischer Eigenschaften, insbes. der niedrigen Bruchzähigkeit, limitiert. Durch Substitution des organischen Vernetzers mit Clay, einem multifunktionellen, inorganischen Vernetzer, werden sog. nanocomposite Hydrogele erhalten. Diese weisen hohe Zugfestigkeit kombiniert mit hoher Bruchdehnung sowie hohe elastische Nachgiebigkeit auf, während sie alle übrigen einzigartigen Charakteristiken von Hydrogelen beibehalten. Über die Bruchzähigkeit von nanocomposite Hydrogelen liegen derzeit keine systematischen Studien vor. Dahingehend sind Hauptziele dieser Forschungsarbeit die quantitative Erfassung der Zähigkeit sowie die Identifizierung von Mechanismen zur Energiedissipation der nanocomposite Hydrogele. Nanocomposite Hydrogele wurden unter Einsatz von Hectorit, einem synthetischen Clay, und N,N-Dimethylacrylamid als Monomer mittels in-situ freier radikalischer Polymerisation hergestellt. Clay-Gehalt sowie Probendicke wurden variiert. Zum Vergleich wurde zudem ein traditionelles Hydrogel mit N,N’-Methylenbis(acrylamid) als Vernetzer hergestellt. Die Probenherstellung wurde durch morphologische Charakterisierung verifiziert. Das Abblättern von Clay in Nanoteilchen und deren homogene Verteilung wurde durch Röntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie nachgewiesen. Thermogravimetrie belegte den hohen Wassergehalt der Gele. Infrarotspektroskopie bestätigte ähnliche Polymerisationsprozesse für alle Hydrogele mit Ausnahme des nanocomposite Hydrogels geringster Dicke, was auf eine unvollständige Polymerisation dieser Probe schließen lässt. Zugversuche ergaben hohe Bruchdehnungen der nanocomposite Hydrogele außerhalb des Limits des Traversenweges (größer 1250 %). Konträr dazu zeigte das traditionelle Hydrogel sprödes Materialverhalten. Elastizitätsmodul, Schubmodul und Anzahl der Ketten zwischen Netzpunkten pro Volumeneinheit wurden bestimmt. Sämtliche Parameter nahmen mit steigendem Clay-Gehalt zu. Im Vergleich mit dem traditionellen Hydrogel wiesen nanocomposite Hydrogele eine geringere Steifigkeit auf. Die Bruchzähigkeit wurde mittels bruchmechanischer Schubversuche ermittelt. Das traditionelle Hydrogel konnte aufgrund seiner Fragilität nicht getestet werden. Demgegenüber dissipierten nanocomposite Hydrogele schnell große Mengen an Energie. Es ergaben sich außergewöhnlich hohe Bruchzähigkeiten. Ein Dissipationsmechanismus war das Abstumpfen der Rissspitze. Um weitere Mechanismen zu ermitteln, wurden die viskoelastischen Eigenschaften charakterisiert. Zyklische Stufenversuche ergaben ein konstantes Verhältnis zwischen elastischer und plastischer Dehnung für geringe und moderate wahre Dehnungen. Ab einer gewissen Dehnung dominierte der plastische Anteil das Deformationsverhalten. Daher ist anzunehmen, dass plastische Deformation in der ganzen Probe sowie in der Umgebung einer Rissspitze stattfindet. Spannungsrelaxationsversuche ergaben eine Relaxationszeit (Zeit maximaler viskoelastischer Dissipation) ähnlich der Versagenszeit in Bruchzähigkeitsversuchen. Folglich ist anzunehmen, dass viskoelastische Dissipation signifikant zur Bruchzähigkeit von nanocomposite Hydrogelen beiträgt. Dies wurde zudem mittels dynamisch-mechanischer Analyse und Rheometrie bestätigt. Demnach wurden mehrere Dissipationsmechanismen detektiert. Erstens verhindert das Abstumpfen der Rissspitze die Ausbreitung von existierenden Rissen. Zweitens bietet plastische Deformation Absorption von Energie. Drittens trägt viskoelastische Dissipation zur überlegenen Bruchzähigkeit von nanoc
Titel in ÜbersetzungNanocomposite Hydrogele – Bruchzähigkeit und Mechanismen zur Energiedissipation
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Resch-Fauster, Katharina, Mitbetreuer (intern)
  • Pinter, Gerald, Betreuer (intern)
  • Whitten, Philip G., Mitbetreuer (extern), Externe Person
Datum der Bewilligung13 Dez. 2013
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2013

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • nanocomposite Hydrogele
  • Bruchzähigkeit
  • bruchmechanische Schubversuche
  • Bruchdehnung
  • Clay

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