Neue Funktionalitäten in Kunststoffen durch Nano-Füllstoffe

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1 Innovationen in der Kunststofftechnik Neue Funktionalitäten in Kunststoffen durch Nano-Füllstoffe J. Wieser ; S. Khare, Deutsches Kunststoff-Institut Darmstadt Das DKI ist eine Einrichtung der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.v., Mitglied der 1

2 Formgedächtnismaterialien Materialien, die auf externe Stimuli (z.b. durch Temperaturerhöhung oder Bestrahlung mit UV-Licht) mit einer signifikanten makroskopischen Formänderung reagieren Metall-Legierungen (Temperaturinduzierter Formgedächtniseffekt durch Phasenumwandlung) Keramiken Polymergele (Formgedächtniseffekt durch Volumenänderung) Polymerwerkstoffe (Temperaturinduzierter Formgedächtniseffekt) 2 2

3 Makroskopischer Formgedächtniseffekt Permanente Form Temporäre Form Erwärmung und Deformierung in die temporäre Form und anschließende Abkühlung T > T Schalt Feste temporäre Form unterhalb der Schalttemperatur Nochmalige Temperaturerhöhung über die Schalttemperatur Zurückwandlung der Probe in die ursprüngliche Form Quelle: Formgedächtnispolymere; A. Lendlein, S. Kelch; Angewandte Chemie; Wiley-VCH-Verlag; 2002, 114, permanente Form 3 3

4 Molekularer Formgedächtniseffekt T > T Schalt C T trans Schalt Ausdehnen und Abkühlen C T < T Schalt T Schalt trans T > T Schalt C T Schalt trans Aufheizen Rote Polymerketten weiches Segment (T > T Schalt ) Schwarze Netzpunkte hartes Segment (T < T schmelze ) Verstrecken unter Entropieverlust des Systems Zurückgewinnung der Entropie bei nochmaliger Erwärmung des Systems Zurückkehren des Polymers in die ursprüngliche Form 4 4

5 Anwendungen Metallische Formgedächtnismaterialien finden Anwendung in: Medizintechnik (Knochen-Implantate, Stents) Satelliten (Solarzellen) Industrie und Haushalt (Antikondensationssysteme, Klimaanlagen) Polymere Formgedächtnismaterialien können zusätzlich multifunktionale Eigenschaften aufweisen: Bioabbaubarkeit bzw. Biokompatibilität (für Medizintechnik) Kontrollierte Wirkstofffreisetzung Denkbare Anwendungen in der Medizintechnik: - Mikrogreifer - Nahtmaterial - Stents Quelle: Development of polymer stent with shape memory effect as a drug delivery system; H. Wache, et. al Journal of Mat. Sci.: Materials in Medicine; Kluwer Academic Publishers; 2003, (14)

6 Formgedächtnispolymere in medizinischen Anwendungen Ziel: Herstellung und Verarbeitung von extern stimulierbaren Formgedächtnispolymeren z.b. als Nahtmaterial in der Medizintechnik 6 6

7 Idee des Projekts Idee: Auslösen des Formgedächtniseffekts durch Einkoppeln der Energie im Material unter Verwendung von Eisenoxid-Nanopartikeln Herstellung von Multiblock-Copolymeren mit Formgedächtniseffekt Dispergierung von Eisenoxid-Nanopartikeln in ein bioabbaubares Formgedächtnispolymer zum Auslösen des Formgedächtniseffekts Verarbeitung von temperatur- und scherempfindlichen Formgedächtnispolymeren mit möglichst geringer degradativer Schädigung, d.h. Abbau des Materials 7 7

8 Beispiele: Formgedächtnispolymere Polymer Tecoflex EG 72 D Elastollan LP9273 Desmopan W Desmopan 385E Transition Temperature T trans C

9 Beispiele: Formgedächtnispolymere Hartsegment Weichsegment Schalttemperatur (T schalt ) Molmasse (m n ) (Weichsegment) PET PEO T schalt = T m T m C PS PB T schalt = T m ca T m C PUR PCL T schalt = T m T m C PUR Polyether T schalt = T g (Polytetrahydrofuran) oder Polyester (Polyethyleneadipat) T g C Quelle: Formgedächtnispolymere; A. Lendlein, S. Kelch; Angewandte Chemie; Wiley-VCH-Verlag; 2002, 114,

10 Compoundieren Geringer Druckaufbau und verkürzte Verweilzeit in der Aufschmelzzone Reduktion der Agglomeratbildung des Füllstoffes Entgasungszone zwischen Dispergier- und Homogenisierungszone Austragen aus der Düse Extrusionsrichtung Homogenisierungszone Entgasung Aufschmelzen Austrag Dispergierzone Einzugszone 10 10

11 Dispergierung Tecoflex 72 D + 5 Gew.% MagSilica 50 Drehzahl:50 U/min Tecoflex 72 D + 5 Gew.% Magnetit Drehzahl: 50 U/min Unzureichende Dispergierung ohne Oberflächenmodifizierung des Füllstoffes bei sonst gleichen Prozessparametern Tecoflex 72 D + 10 Gew.% MagSilica50-85: Dispergierte Nanopartikel 11 11

12 Mechanische Eigenschaften Zähigkeit Bruchdehnung bei 23 C Bruchdehnung bei 50 C 320,9 356,6 Bruchdehnung in % ,4 247, LP_Misch: (PPDO-PCL) LP_Misch_EC 50Mag(10%MagSilica50-85) 12 12

13 Thermisches Verhalten des Compounds im magnetischen Wechselfeld Magnetische Absorptionsrate und resultierende Temperaturentwicklung 13 13

14 Thermisches Verhalten des Compounds im magnetischen Wechselfeld Spez. Absorptionsrate in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke Erreichbare Maximaltemperatur für Compound aus Tecoflex mit unterschiedlichen Gehalten an MagSilica

15 Magnetisch induzierter Formgedächtniseffekt Einflussfaktoren auf die Temperatur im Probekörper: - Magnetfeldstärke - Partikelkonzentration - Probengeometrie - Umgebungsmedium Formrückstellung von Tecoflex mit 10 Gew. % MagSilica 15 15

16 Danksagung Das Forschungsvorhaben Nr. 166 ZBG der Forschungsvereinigung Kunststoffe in Kooperation mit der Forschungsvereinigung Chemische Technik und Biotechnologie zum Thema: Nano-Pulver als Antennen für f r extern stimulierbare Formgedächtniscompounds als Nahtmaterial für f r die Medizin wurde im Programm zur Förderung F der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) im Rahmen des Förderprogrammes Zukunftstechnologien für f r kleine und mittlere Unternehmen ZuTech vom Bundesministerium für f r Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für r diese Förderung F sei gedankt. Auch für f r die Unterstützung tzung der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.v. sei gedankt. Weiterhin danken wir den im projektbegleitenden Ausschuss vertretenen Unternehmen für f r ihre fachliche Unterstützung. tzung. Wir danken unseren Partnern von der GKSS, Teltow, für die gute Zusammenarbeit in dem Projekt

17 Mechanisches Verhalten 17 17