Shape Memory and Actuation Behavior of Semicrystalline Polymer Networks

139 Pages·2014·5.34 MB·English

Dipl.-Phys. Martin Bothe
Shape Memory and Actuation Behavior
of Semicrystalline Polymer Networks

BAM-Dissertationsreihe Band 121
(cid:129)
Berlin 2014
Die vorliegende Arbeit entstand an der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung.

Impressum
Shape Memory and Actuation Behavior
of Semicrystalline Polymer Networks
2014
Herausgeber:
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin
Telefon: [phone]
Telefax: [phone]
E-Mail: [email protected]
Internet: www.bam.de
Copyright © 2014 by
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Layout: BAM-Referat Z.8
ISSN 1613-4249
ISBN 978-3-9816668-1-6
Shape Memory and Actuation Behavior of
Semicrystalline Polymer Networks
vorgelegt von
Dipl.-Phys.
Martin Bothe
aus Tu¨bingen
von der Fakult¨at II – Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universit¨at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
– Dr. rer. nat. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Matthias Bickermann
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Michael Gradzielski
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Michael Maskos
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 16.07.2014
Berlin 2014
D 83

Für meine Familie

Abstract
Shapememorypolymers(SMPs)canchangetheirshapeonapplicationofasuitablestimulus.
Toenablesuchbehavior,a‘programming’procedurefixesadeformation,yieldingastabletem-
poraryshape.InthermoresponsiveSMPs,subsequentheatingtriggersentropy-elasticrecoveryof
theinitialshape.Anadditionalshapechangeoncooling,i.e.thermoreversibletwo-wayactuation,
canbestimulatedbyacrystallizationphenomenon.
Inthisthesis,cyclicthermomechanicalmeasurementssystematicallydetermined(1)theshape
memoryand(2)theactuationbehaviorunderconstantloadaswellasunderstress-freecondi-
tions. Chemically cross-linked, star-shaped polyhedral oligomeric silsesquioxane polyurethane
(SPOSS-PU) hybrid polymer networks and physically cross-linked poly(esterurethane) (PEU)
blockcopolymerswereinvestigatedaroundthemeltingandcrystallizationtemperaturesoftheir
polyestersoftsegments.
(1)TheSPOSS-PUsshowedexcellentshapefixitiesandrecoverabilitiesofalmost100%athigh
cross-linkingdensity,whilePEUsexhibitedpronouncedshapememorypropertiesatincreased
soft segment content. Furthermore, two-fold programmed SPOSS-PU specimens were able to
recovertheirinitialshapeintwothermallyseparatedevents.Evenaneck,whichformedduring
deformationofSPOSS-PUswithhighsoftsegmentcontent,wasreversed.
(2) In PEUs, globally oriented crystallization on cooling drove expansion of the sample, in
particularathighsoftsegmentcontentandafterapplicationofastrongdeformation. Melting
reversedthatorientation;thePEUsamplecontractedandtherebycompletedthethermoreversible
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
forentirelynewapplications,enablingmimicryofreversible,bidirectionalandrepeatedorganic
movements.
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Zusammenfassung
Formgedächtnispolymere (FGPe) können unter Einwirkung eines geeigneten Stimulus ihre
Formverändern.UmdiesesVerhaltenzuermöglichen,wirdeineDeformationmittels‘Programmie-
rungs’-Verfahrenfixiert,wobeidasFGPeinestabile,temporäreFormeinnimmt.Inthermorespon-
sivenFGPenlöstanschließendesErwärmenentropieelastischeRückstellungindieursprüngliche
Formaus.UmthermoreversibleZweiwege-Aktuationzurealisieren,kanneinezusätzlicheForm-
änderungbeimAbkühlendurcheinKristallisationsphänomenhervorgerufenwerden.
MittelszyklischerthermomechanischerMessungenwurden(1)dieFormgedächtniseigenschaf-
ten(FGEen)und(2)dasthermoreversibleAktuationsverhaltensowohlunterkonstanterAuflast
alsauchunterspannungsfreienBedingungenquantifiziert.SternförmigeHybridpolymernetzwerke,
chemischquervernetztdurchpolyedrischesoligomeresSilsesquioxanundPolyurethan(SPOSS-
PU) und physikalisch quervernetzte Poly(ester urethan)-Blockcopolymere (PEUe) wurden im
BereichderSchmelz-undKristallisationstemperaturenihrerPolyesterweichsegmenteuntersucht.
(1)InsbesonderedieSPOSS-PUsmithoherQuervernetzungsdichtezeigtenFormfixier-und
Formrückstellbarkeitenvonnahezu100%,währendPEUsausgeprägteFGEenbeihohemWeich-
segmentanteil aufwiesen. In zweifach programmierten SPOSS-PUs ließen sich darüber hinaus
zweithermischseparierteRückstellungeninduzieren.SelbsteineEinschnürung,diesichwährend
derVerformungvonSPOSS-PUsmithohemWeichsegmentanteilgebildethatte,warreversibel.
(2)GlobalorientierteKristallisationführtebeiAbkühlungzurExpansionderPEU-Proben,
vorallembeihohemWeichsegmentanteilundnachdemAufbringeneinerstarkenDeformation.
Schmelzen revidierte die Orientierung; die PEU-Probe kontrahierte und komplettierte damit
denthermoreversiblenAktuationszyklus.UnterAuflastkonntenmultiplePhasenübergängeim
polymorphen Weichsegment zwei aufeinander folgende Expansions- und Kontraktionsschritte
auslösen,währendspannungsfreiverschiedeneFormänderungen,z.B.dieZu-undAbnahmevon
Probenlängeund-dickesowieVer-undEntdreheneinerProbeexperimentellbelegtwerdenkonn-
ten.DievorgestellteAktuatortechnologieermöglichtvölligneueAnwendungen,diebidirektionale,
organischeBewegungennachahmenundwiederholenkönnen.
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