Schäfer, Christian Gerhard (2016)
Stimuli-Responsive Polymer-Opalfilme: Intelligente Materialien für optische Sensoranwendungen und Sicherheitsmerkmale.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wurden neuartige intelligente Opal- und Inversopalfilme auf Polymerbasis für zukünftige Anwendungen als Dekorfolien, Sensormaterialien, als Materialien mit neuen Sicherheitsmerkmalen und für die optische Datenspeicherung entwickelt, deren optische Eigenschaften durch verschiedene externe Stimuli schnell, effizient und vollständig reversibel geschaltet werden können. Diese Filme wurden mit der Methode der Schmelzscherung erzeugt, die in Vorgängerarbeiten bereits erfolgreich für die Herstellung von Filmen aus polymeren und hybriden Kern-Zwischenschicht-Schale(CIS)-Partikeln mit harten Kernen und darauf gepfropften, aufschmelzbaren und verfilmbaren Polymerschalen eingesetzt wurde. Nach der Partikelorganisation in der Schmelze der Polymerschalen liegen die harten Kerne der CIS-Partikel in einem dichtest-gepackten Kristallgitter vor, das in die Matrix der Polymerschalen eingebettet ist. Diese Polymer-Opalfilme zeigen aufgrund des Brechungsindexkontrastes zwischen den Kernen und der Polymermatrix die optischen Eigenschaften von kolloidalen photonischen Kristallen. Um diese Polymer-Opalfilme mit Stimuli-responsiven Eigenschaften auszustatten, wurden diese in der vorliegenden Arbeit mit verschiedenen Stimuli-responsiven Polymeren kombiniert, indem neue Synthesestrategien für funktionelle monodisperse Polymerpartikel mit einer internen CIS-Partikelarchitektur entwickelt wurden, die nach anschließender Organisation in der Schmelze den direkten Zugang zu Stimuli-responsiven Polymer-Opalfilmen ermöglichten. Mit dieser universellen Synthesestrategie konnten funktionelle Monomere sowohl in die Kerne als auch in die Schalen der CIS-Partikel eingebaut werden. Darüber hinaus konnten auch Multischalen-Partikel mit kombinierten Stimuli-responsiven Eigenschaften hergestellt werden. Neben der Stimuli-responsiven Eigenschaften konnte aber auch die Zusammensetzung der Partikel gezielt variiert werden: Die Synthese ermöglichte sowohl den Aufbau von polymeren als auch hybriden Partikeln aus verschiedenen Stimuli-responsiven Polymeren. Aus diesen neuartigen Partikelsystemen konnten dann verschiedenen Opal- und Inversopalfilme präpariert werden. Mit Hinblick auf zukünftige Anwendungen wurden für diese Filme effiziente Vernetzungsstrategien entwickeln, die den Zugang zu mechanisch stabilen und freitragenden Polymerfilmen ermöglichten. Hierfür wurde die Polymer-Matrix der Filme nach ihrer Herstellung in der Schmelze mit chemischen Vernetzungspunkten versehen und die Filme somit stabilisiert, damit diese auch unter großer chemischer und mechanischer Belastung ihre strukturelle Ordnung aufrechterhalten. Die nachträgliche Vernetzung gewährleistete aber nicht nur die mechanische Stabilität der Opalfilme sondern ermöglichte auch den Zugang zu mechano-, thermo- und solvatochromen Opal- und Inversopalfilmen. Auf Basis der effizienten Vernetzung konnten die Filme vollständig reversibel dehnbar, reversibel quellbar und reversibel infiltrierbar gestaltet werden, sodass die Reflexionsfarben der Filme unter dem Einfluss mechanischer Belastung, Temperatur und Lösungsmitteln vollständig reversibel geschaltet werden konnten. Diese Materialien wurden sowohl mit elektronenmikroskopischen und spektroskopischen als auch mit rheologischen Methoden charakterisiert und die optischen, mechanischen und mechano-optischen Eigenschaften der so geschaffenen Materialien mit Hinblick auf deren Anwendungspotential ausführlich studiert. Die Grundvoraussetzung für die breite Anwendung dieser Stimuli-responsiven Opal- und Inversopalfilme im Bereich der optischen Sensorik, Sicherheitsmerkmale und Optoelektronik ist jedoch eine praktikable Verarbeitungstechnologie, mit der praxistaugliche Filme großflächig, schnell und effizient hergestellt werden können. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasste sich deshalb mit der Übertragung der Schmelzetechnik auf ein kontinuierliches Herstellungsverfahren, mit dem CIS-Partikel großflächig zu homogenen Opalfilmen mit minimalen Defekten verarbeitet werden konnten. Hierfür wurden praxistaugliche Synthese- und Präparationsverfahren, von der Synthese und Aufarbeitung der Polymerpartikel, über die kontinuierliche Verarbeitungstechnologie bis hin zur nachträglichen Stabilisierung der Filme, bis zur Industriereife entwickelt, sodass diese Filme nun großflächig und kontinuierlich auf beliebigen Längenskalen hergestellt werden können. Die möglichen Anwendungsbereiche der partikelbasierten Materialien wurden in dieser Arbeit jedoch weit über die Opalfilme hinaus ausgeweitet. So konnten auch hybride Himbeerpartikel sowie anorganische Hohlkugeln, Inversopale und makroporöse Schichten für hydrophobe Oberflächen, Lithiumionenebatterien und gehärtete Membranen entwickelt werden.

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