Abstract
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuer Photopolymere, die auf externe Stimuli reagieren können. Durch die Einführung photoreaktiver Gruppen bzw. dynamisch-kovalenter Bindungen in das Photopolymer-Netzwerk wurden intelligente Materialien mit schaltbaren Eigenschaften hergestellt. Zunächst wurden hierfür bifunktionelle Alkine mit ortho-Nitrobenzylesterbindungen synthetisiert und mit multifunktionellen Thiolen durch Belichtung mit sichtbarem Licht vernetzt. Asymmetrische Bestrahlung mittels UV-Licht führte zu Spaltungsreaktionen der Chrompophore und Photooxidation, wodurch polare Gruppen auf der Polymeroberfläche entstanden. Die Benetzbarkeit nahm mit steigender Belichtungsdosis zu und eine Gradientenoberfläche mit statischen Wasserkontaktwinkeln von 97 ° bis 19 ° wurde hergestellt. Durch das Einschreiben des Benetzbarkeitsgradienten in Keilform wurde ein zusätzlicher Laplace-Druckgradient generiert und ein gezielter Transport von Wassertropfen über eine Distanz von 10 mm ermöglicht. Darauf aufbauend wurde die gerichtete Bewegung eines Wassertropfens durch Mikrostrukturierung der Oberfläche mittels Nanoimprint-Lithographie weiter erhöht (20 mm). Zur Erzeugung hochgradig hydrophober Oberflächen (statischer Wasserkontaktwinkel um 140 °) wurden photoreaktive Thiol-Acrylat-Harze, bestehend aus o-Nitrobenzylalkoholderivaten mit terminalen Acrylatgruppen, multifunktionellen Thiolen und einem fluorierten Methacrylat-Monomer, durch sichtbares Licht assistierter Nanoimprint-Lithographie strukturiert. Die anschließende Bestrahlung der Mikrostrukturen mit UV-Licht unter atmosphärischen Bedingungen führte wiederum zur lokalen Bildung polarer Gruppen und zur Erosion der nadelförmigen Mikrostrukturen, bis vollständig benetzbare Oberflächen (statischer Wasserkontaktwinkel von 7 °) erhalten wurden. Des Weiteren wurde die Einführung von dynamisch-kovalenter Bindungen in 3D-druckbare Photopolymere untersucht, da diese zahlreiche fortschrittliche Funktionalitäten wie Selbstheilung, Recyclingfähigkeit, Verformbarkeit und Formgedächtnis ermöglichen. Ein in diesem Kontext besonders vielversprechendes Polymer-Netzwerk ist jenes der Vitrimere, das auf thermoresponsive Austauschreaktionen, wie der Umesterung, beruht. Ein monofunktionelles Methacrylatphosphat wurde als neuer Umesterungskatalysator in Thiol-Acrylat-Vitrimer-Systeme eingeführt. Nach der Lichthärtung waren die dynamischen Netzwerke in der Lage, schnell thermisch induzierte Umlagerungsreaktionen zu durchlaufen, welche dreifaches Formgedächtnis sowie thermische Selbstheilung der gedruckten Soft-Robotic Bauteile ermöglichten. Anschließend wurde eine Reihe dynamischer Acrylatnetzwerke hergestellt, deren mechanische Eigenschaften durch die chemische Funktionalität und Struktur der Monomere eingestellt werden konnte. Rheologische Untersuchungen zeigten, dass die Spannungsrelaxationsrate mit zunehmender Vernetzungsdichte und Glasübergangstemperatur der photopolymeren Netzwerke abnimmt. Mittels digitaler Lichtverarbeitung wurden 3D-Objekte mit Strukturgrößen um 50 µm hergestellt und die dynamische Natur der Netzwerke ermöglichte ein thermisch ausgelöstes Formgedächtnis und eine Verformbarkeit auch bei hohen Netzwerkdichten. In einem weiteren Ansatz wurden Licht und Temperatur als externe Reize kombiniert, um die dynamischen Austauschreaktionen in 3D-gedruckten Bauteilen lokal zu steuern. Photosäuregeneratoren bilden unter UV-Belichtung starke Brønsted-Säuren. Es konnte gezeigt werden, dass diese Brønsted-Säuren in der Lage sind Umesterungsreaktionen bei erhöhten Temperaturen zu katalysieren. Der photolatente Katalysator wurde in ein mit sichtbarem Licht härtbares Harz eingebracht. Mit Hilfe eines 2-Wellenlängen 3D-Druckers und auf Grund der Orthogonalität zwischen der Aushärtungsreaktion und der Aktivierung des Katalysators konnten die dynamischen Austauschreaktionen in den 3D-gedruckten Objekten selektiv gestarte
Titel in Übersetzung | Synthese und Charakterisierung von Funktionellen Photopolymeren für Fortschrittliche Anwendungen |
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Originalsprache | Englisch |
Qualifikation | Dr.mont. |
Gradverleihende Hochschule |
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Betreuer/-in / Berater/-in |
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Publikationsstatus | Veröffentlicht - 2021 |
Bibliographische Notiz
gesperrt bis 25-04-2022Schlagwörter
- Photopolymerisation
- Thiol-ene
- Thiol-in
- Polymerchemie
- Vitrimere
- Dynamische Austauschreaktionen
- Tropfentransport
- Digitale Lichtverarbeitung
- 3D-Druck
- Nanoimprint-Lithographie
- Formgedächtnispolymere
- Selbstheilung
- Recycling