Mikromechanische Charakterisierung multifunktionaler NIPU-Materialien und NIPU-(Nano)Komposite

Der Klimawandel und die damit verbundene Notwendigkeit zur Reduktion von CO$_{2}$-Emissionen, die drohende Verknappung fossiler Ressourcen sowie das gestiegene Umweltbewusstsein beim Verbraucher bringen neue Impulse in der Kunststoffentwicklung. Hierbei geht der Trend weg von einer fossilbasierten Rohstoffbasis hin zu „grünen“ und klimaneutralen Produkten mit geringem ökologischen Fußabdruck.

Im Hinblick auf nachhaltige Entwicklungen bietet die isocyanatfreie Polyurethanchemie einen eleganten Zugang zu kohlendioxidneutralen Materialien. Zwar ist die Synthese von isocyanatfreien Polyurethanen (engl. ... mehrnon-isocyanate polyurethanes, NIPU) durch die Härtung von polyfunktionellen cyclischen Carbonaten mit aliphatischen Aminen lange bekannt, hat diese heute aufgrund der aktuellen Anforderungen und der Suche nach grünen Produkten neue Aktualität erlangt. Ihre Besonderheit liegt dabei auf der chemischen Fixierung von CO$_{2}$ zur Bildung der cyclischen Carbonatmonomere.

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige NIPU-Systeme und NIPU-Hybridbeschichtungen mit Hilfe von fortschrittlichen Nanoindentationsmethoden untersucht, um ein vertieftes Verständnis über die Wechselbeziehungen zwischen den strukturellen Parametern und den ablaufenden mikromechanischen Prozessen auf der lokalen Ebene zu erhalten. Es wird gezeigt, dass das Eigenschaftsprofil der Materialien entscheidend von der Struktur und Funktionalität der NIPU-Bausteine geprägt wird und über diese Parameter maßgeschneidert werden kann. Weiterhin wird anhand mikroskaliger Dehnratenwechselversuche die Rolle neu entwickelter Hybridcarbonate auf das Verformungsverhalten bewertet sowie unter Verwendung eines Hochtemperatur-Indentationssetups deren Einfluss auf die Relaxationsdynamik der Hybridbeschichtungen untersucht.

Climate change and the associated need to reduce CO$_{2}$ emissions, the impending scarcity of fossil resources, and increased consumer awareness of the environment are giving new impetus to plastics development. The trend is moving away from a fossil-based raw material basis towards “green” and climate-neutral products and processes with a reduced carbon footprint.

In terms of sustainable development, isocyanate-free polyurethane chemistry provides elegant access to carbon dioxide-neutral materials. Although the synthesis of so called non-isocyanate polyurethanes (NIPU) by the curing of polyfunctional cyclic carbonates with aliphatic amines has long been known, it has now become more relevant due to the current requirements and the search for greener products. ... mehrTheir specific characteristic lies in the chemical fixation of CO$_{2}$ to form the cyclic carbonate monomers.

In this work, novel NIPU systems and NIPU hybrid coatings are investigated by advanced nanoindentation methods to gain a deeper understanding of the interrelationships between the main structural motifs and ongoing micromechanical processes at the local scale. It is shown that the property profile of NIPU materials is decisively influenced by the structure and functionality of the molecular building blocks and can be tailored by these parameters. Furthermore, the role of newly developed multifunctional hybrid cyclic carbonates on the deformation behavior is evaluated on the basis of nanoindentation strain rate jump tests, and their influence on the relaxation dynamics of the hybrid coatings is illustrated by using a high-temperature nanoindentation setup.