Tuning Mechanical Properties of Dual-Wavelength Thiol-Methacrylate Resins via Orthogonal Photoreactions

Polymere, die durch Lichteinwirkung ausgehärtet werden können, bieten zahlreiche Vorteile in verschiedenen Anwendungsbereichen wie dem 3D-Druck, bei Beschichtungen und biomedizinischen Anwendungen. Diese Materialien lassen sich unter milden Bedingungen verarbeiten, ohne dass erhöhte Temperaturen oder giftige Lösungsmittel erforderlich sind. Es ist jedoch sehr schwierig, die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien nach der Polymerisation zu verändern. Diese Masterarbeit befasst sich mit dieser Herausforderung durch die Entwicklung eines Thiol-Methacrylat-basierten Photoharzsystems, das auf zwei Wellenlängen anspricht und durch orthogonale Photoreaktionen die mechanischen Eigenschaften lokal anpassbar macht. Das Harzsystem nutzt 450 nm Licht zur radikalischen Thiol-Methacrylat-Polymerisation und 365 nm UV-Licht zur [4¿4] Photocycloaddition von kovalent gebundenem Anthracen, was zu einer lokalen Versteifung des Netzwerks führt. Hierfür wurde Methacrylat-funktionalisiertes Anthracen als reaktive Komponente für diesen wellenlängenselektiven Vernetzungsprozess in das Methacrylat-Grundgerüst eingebaut. Zur Entwicklung der Harzformulierung wurde die Reaktionskinetik der funktionellen Gruppen mittels FTIR- und UV-Vis-Spektroskopie untersucht, der Speichermodul und die Glasübergangstemperatur (Tg) wurden mittels dynamisch-mechanischen Analysen bestimmt. Zugversuche wurden zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit des ausgehärteten und des zusätzlich nachgehärteten Materials durchgeführt. Die optimierte Harzformulierung zeigte durch die Nachhärtung eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, da der Elastizitätsmodul von 7,4 MPa auf 19,9 MPa und die Zugfestigkeit von 1,4 MPa auf 1,9 MPa anstiegen. Die Glasübergangstemperatur beträgt etwa 12 °C, wobei die nachgehärtete Probe eine breitere Verlustfaktorverteilung aufwies, was auf ein heterogenes Netzwerk hindeutet. Die erfolgreiche Entwicklung eines Photoharzes auf Thiol-Methacrylat-Basis mit orthogonalen Photoreaktionen ermöglicht eine lokale und selektive Modifizierung der mechanischen Eigenschaften. Dieses Harzsystem zeigt großes Potenzial für Anwendungen im Mehrwellenlängen-3D-Druck, insbesondere für die Herstellung von Strukturen mit räumlich variierenden mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise in der Soft-Robotik, bei adaptiven mechanischen Komponenten und bei der Photolithographie.