DPMA - Erfinderaktivitäten 2005/2006

Formgedächtnis-Polymere (Shape-Memory Polymers, SMP) als
Materialien der Zukunft
Dr. Thomas J. Reitinger, Abt. 1.44
Polymere haben aufgrund ihres Aufbaus ein eingebautes Formgedächtnis. Wenn Polymere erhitzt
werden, fallen sie aus einem kristalloiden Zustand wieder in ihren amorphen Ausgangszustand zurück.
Bei einigen Polymeren kann dieser Zustand über bis zu zwei Stufen verlaufen. Formgedächtnis-Polymere
sind maßgeschneiderte, intelligente und selbst reparierende Hochleistungskunststoffe, die sich an ihre
frühere äußere Form trotz einer zwischenzeitlich starken Umformung scheinbar „erinnern“ können.
Entsprechend ihrem breiten Eigenschaftsprofil ist das Anwendungspotenzial dieser Shape-Memory-
Polymers (SMP) insbesondere im Bereich der Biowissenschaften sehr groß.
1. Einleitung
Stimuli-sensitive Materialien sind Werkstoffe, die auf einen
äußeren Auslöseimpuls mit einer Änderung ihrer
makroskopischen Eigenschaften reagieren. Ist von dieser
Änderung auch die äußere Form betroffen, so spricht man
von einem Formgedächtniseffekt. Erfolgt die äußere
Verformung in Folge einer Temperaturänderung, spricht
man von einem thermisch induzierten Formgedächtniseffekt
[1]. Es sind aber auch mechanische,
magnetische und elektrische Stimuli realisiert [4][5][7][39].
Ist das stimuli-sensitive Material ein Polymer handelt es
sich um ein Formgedächtnis-Polymer. SMPs beschränken
sich derzeit hauptsächlich auf den thermisch induzierten
Formgedächtniseffekt [2][3].
Formgedächtnis-Polymere können deformiert und wieder
in vordefinierten Formen, wie z.B. gestreckten Filmen und
Röhren, Bögen oder Spiralen fixiert werden. Bei einem
Kotflügel beispielsweise liegt zunächst die unbeschädigte
Ursprungsform vor. Durch einen Aufprall entsteht eine
temporäre Form, die sich u.a. durch Erwärmen wieder in
die ursprüngliche Form zurück verwandelt - der Kunststoff
hat sich sozusagen selbst repariert.
Das Anwendungspotenzial dieser intelligenten
Hochleistungspolymere ist aufgrund ihres breiten
Eigenschaftsprofils enorm. Es umfasst die Bereiche
Medizintechnik (stimuli-sensitive Implantate, Stents, Tissue
Engineering) bzw. Medizin (minimal invasive Chirurgie)
und Kosmetik bis hin zu Hochleistungstextilien und
selbstreparierende
mobiltechnik.
Kunststoffbauteile in der Auto-
2. Molekularer Mechanismus des Formgedächtnis-Effektes
in Polymeren
Unter einem Formgedächtnis-Effekt ist die Fähigkeit eines
Materials zu verstehen, in seine ursprüngliche Form
entweder nach einer mechanischen Verformung, wobei es
sich um einen Ein-Wege-Effekt handelt (Figur 1), oder
durch Abkühlen und Erwärmen (Figur 2), wobei ein
Zweiwege-Effekt vorliegt, zurückzukehren. Die
Formgedächtnis-Kunststoffe erinnern sich also
beispielsweise nach einer unerwünschten oder zufälligen
Deformation („Delle“ in einem Kotflügel) an ihre ursprüngliche
Form, welche z.B. durch einfaches Erwärmen
wieder hergestellt werden kann. Dieses Phänomen basiert
auf einem strukturellen Phasenübergang.
Figur 1: Prinzip des Einwege-Formgedächtnis-Effektes; aus [40].
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