High solid polymer-hectorite composites

• Hochfestkörper Polymer-Hektorit-Verbundwerkstoffe

Kensbock, Philip; Möller, Martin (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Verbundwerkstoffe sind ein Forschungsgebiet mit langer Erfolgsgeschichte. Durch steigende Anforderungen sowie das Bestreben organische Lösungsmittel zu vermeiden werden vermehrt Verbundwerkstoffe mit anisotropen Nanopartikeln und hohen Festkörperanteil entwickelt. Beispielhaft hierfür werden zumeist Hektorite oder Schichtsilikate als Rheologiemodifikatoren oder in Kompositmaterialien genutzt. Die mikroskopischen Wechselwirkungen dieser Nanoplättchen haben entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des resultierenden Materials. Eine Manipulation dieser Wechselwirkungen führt zu Phasenübergängen von isotrop flüssig über nematisch bis hin zu kristallin säulenförmig. In dieser Arbeit wurden aus diesem Baustein mittels Selbstorganisation verschiedene neue Materialien mit definiertem Grad an Ordnung entwickelt: Zunächst wird die Entwicklung eines Barrierematerials mit hoher mechanischer Festigkeit, verminderter Wasserquellbarkeit und hoher Transparenz und Gasdichtigkeit für den perfekten Schutz empfindlicher Materialien wie elektronische Bauteile oder verderbliche Lebensmittel vorgestellt. Die bisherigen Perlmutt-Mimetika zeigen besonders hohe mechanische Belastbarkeit. Echtes Perlmutt besticht allerdings durch bessere Wasserbeständigkeit, da es auf einem hohen anorganischen Feststoffgehalt zwischen 95 und 99 % mit mineralischen Brücken basiert. Dieser anorganische Gehalt wurde erstmalig erreicht und stellt eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu den bisherigen Perlmuttmimetika (10-90 %) dar. Die über eine biomimetische Selbstassemblierung von Casein und Hektoriten hergestellte Struktur war essentiell für bessere Barriereeigenschaften (99.998% verringerte Gasdiffusion bei 90% Transmission). Die zweite erfolgreiche Anwendung der Nanopartikel-Dispersionen mit hohem Festkörperanteil ist die Entwicklung eines künstlichen Muskels. Das Material basiert auf flüssigkristallinen Fluorhektoriten mit hohem Aspektverhältnis innerhalb einer thermoresponsiven Poly-NIPAm-Matrix und ist ein entscheidender Schritt in der Entwicklung von Aktuatoren. Es wurden höchst anisotrope Hydrogele (88% der Plättchen in perfekter Orientierung) erhalten und Einblicke in den Mechanismus hinter der anisotropen Bewegung gezeigt. Die Hydrogele weisen starke anisotrope Volumen-Phasenübergänge (40% anisotrope Verlängerung mit schneller Elongationsrate von 10 %/s) auf, die bisher nur durch komplexe Partikelausrichtungsmethoden erreicht werden konnten. Die neue, einfache und robuste Synthese von muskelmimetischen Materialien ermöglicht die Herstellung größerer Strukturen, die für künstliche Aktuatoren im wachsenden Bereich der Robotik notwendig sind.