Entwicklung Stimuli-responsiver polymerer Werkstoffe auf Basis dynamisch kovalenter Chemie

Die vorliegende Dissertation beinhaltet die Untersuchungen zweier reversibler chemischer Reaktionen: der reversiblen Ringöffnungsreaktion von N-Phenylbenzoxazin mit Thiolen und der reversiblen Halbketalreaktion zwischen einer bifunktionellen vicinalen Tricarbonylverbindung und verschiedenen Polyesterpolyolen für den möglichen Einsatz als Stimuli-responsives Matrixharz in Faserverbundkunststoffen (FVK). Dazu wurde die Reversibilität der beiden Reaktionen über Stimuli, wie Temperatur und Lösungsmittel, hinsichtlich ihrer Umsatzgrade untersucht. Der Einfluss der Stimuli wurde zuerst auf molekularer Ebene untersucht und die Erkenntnisse später auf die polymere Ebene übertragen. Die reversible Ringöffnungsreaktion des N-Phenylbenzoxazins konnte mit verschiedenen aliphatischen und aromatischen Thiolen in einer lösungsmittelbasierten und einer lösungsmittelfreien Reaktion reversibel durchgeführt werden. Die Übertragung der Erkenntnisse auf ein polymeres System war aufgrund der thermischen Instabilität des Netzwerkes nicht erfolgreich. Bei der Reaktion von Aminen, Thiolen und Alkoholen als Nukleophilen mit einer aromatischen vicinalen Tricarbonylverbindung wurde die reversible Keton-Halbketal-Reaktion beim Einsatz primärer Alkohole, stimuliert über Temperaturänderungen und Lösungsmitteleinsatz, gezeigt. Beim Einsatz multifunktioneller polyesterbasierter Alkohole und des vicinalentricarbonylbasierten Vernetzermoleküls konnten Stimuli-responsive Polymernetzwerke in einer lösungsmittelfreien Reaktionsführung dargestellt und abhängig von den Reaktionsbedingungen (Reaktionstemperatur und -zeit) die entstandenen Polymere in dissoziative und assoziative Netzwerke unterteilt werden. Dabei wiesen die mit den drei unterschiedlichen Verarbeitungsstufen hergestellten Polymernetzwerke ähnliche Glasübergangstemperaturen vonca. 10 °C auf. Dies verdeutlicht, dass die thermisch initiierten Vorgänge an den Verknüpfungspunkten des Polymers die Glasübergangstemperatur nicht beeinflussen. Abhängig von der Verarbeitungsstufe verhielten sich die auf reversiblen Halbketalbindungen basierenden Polymere im Sinne eines dissoziativen Netzwerkes und ließen sich bei Temperaturen über 80 °C verflüssigen und bei Temperaturen unter 80 °C wieder verfestigen. Des Weiteren war eine dynamische Austauschreaktion mit Wasser möglich. Im Gegensatz dazu verflüssigten sich die bei höheren Temperaturen und längeren Reaktionszeiten hergestellten Polymere nicht mehr und waren gegen Reaktionen mit Wasser resistent - ein für assoziative Polymernetzwerke typisches Verhalten. Unter erhöhtem Druck und Temperatur konnten die assoziativ vernetzten Polymere umgeformt werden und sich selbst heilen. Darüber hinaus konnten die Netzwerke in einem reaktiven Lösungsmittel oder im Autoklav in Gegenwart von Wasserdampf gelöst werden. Die Materialeigenschaften der halbketalbasierten Polymernetzwerke konnten durch die Wahl der eingesetzten Polyesterpolyole bei der Reaktion mit der vicinalen Tricarbonylverbindung bezogen auf die Glasübergangstemperatur individuell eingestellt werden. Dieses Konzept der Stimuli-responsiven halbketalbasierten Polymernetzwerke konnte erfolgreich auf FVK übertragen werden. Die Selbstheilung der Verbunde wurde durch definierte Beschädigung und Wiederherstellung der Biegemodule gezeigt. Ein Recycling des FVK wurde durch eine vollständige Trennung der Fasern von der Matrix erreicht.