DPMA - Erfinderaktivitäten 2005/2006

Figur 2: Prinzip des Zweiwege-Formgedächtnis-Effektes; aus
[40].
Der Formgedächtniseffekt wurde zunächst bei
Metalllegierungen gefunden [6], später auch bei
Keramiken und Polymeren. Er ist keine spezifische Stoffeigenschaft
einzelner Polymere und beruht darauf, dass
eine bestimmte Polymerarchitektur mit einer speziellen
Verarbeitungs- und Programmierungstechnologie
kombiniert wird (Funktionalisierung des Polymers). Das
Polymer wird dabei zunächst mit üblichen
Verarbeitungsmethoden in seine permanente (dauerhafte)
Form gebracht, anschließend deformiert und in der
temporären (vorübergehenden) Form fixiert (z.B. durch
Erwärmung der Probe, einer Deformation mit
nachfolgendem Abkühlvorgang oder durch kaltes
Verstrecken des Materials bzw. einer Deformation bei
tiefer Temperatur). Dieser Vorgang wird als
Programmierung bezeichnet.
Durch Erwärmung des Materials (Polymers) über die
sogenannte Schalttemperatur Ttrans wird der thermisch
induzierte Formgedächtniseffekt ausgelöst (Temperatur als
Stimulus). Die gespeicherte permanente Form wird infolge
seiner Entropieelastizität rückgebildet. Dieser Schritt wird
als Wiederherstellung bezeichnet. Eine Verringerung der
Temperatur führt zum Erhärten des Polymers, jedoch nicht
zur Rückbildung der temporären Form („Einwege“-
Formgedächntnis-Effekt). Durch erneutes Programmieren
(z.B. durch eine mechanische Deformation) kann dem
Polymer-Werkstück wieder eine temporäre Form
aufgezwungen werden, welche jedoch nicht zwangsläufig
mit der vorhergehenden temporären Form übereinstimmen
muss [3].
Formgedächtnis-Polymere sind durch zwei grundlegende
Eigenschaften gekennzeichnet. Sie besitzen
Schaltsegmente, deren Phasenübergang (z.B. thermisch
induziert) für den Formgedächtniseffekt ausgenützt wird
und Vernetzungspunkte, die die permanente Form
bestimmen [9]. Je nach Art der Vernetzung liegen
thermoplastische Elastomere (weitmaschig vernetzte
Polymere) oder Thermosets bzw. Duroplaste (engmaschig
vernetzte Polymere) vor. Die Polymernetzwerke der
Elastomere bestehen aus amorphen Kettensegmenten, die
durch Verknüpfungspunke vernetzt sind. Die für
Elastomere und damit für Formgedächntnispolymere
weitmaschige Vernetzung kann irreversibel über kovalente
(feste) chemische Bindungen oder reversibel physikalisch
erfolgen. Diese physikalische Vernetzung erfolgt durch
Verknäulung der Polymerketten oder durch
intermolekulare Wechselwirkung zwischen den Ketten
(z.B. Kristallisation einzelner Polymersegmente,
Verglasung amorpher Bereiche, Wasserstoffbrückenbindungen).
Ist die physikalische Vernetzung
reversibel spaltbar (z.B. thermisch) und können die
Materialien thermoplastisch verarbeitet werden, so
bezeichnet man diese Polymere als thermoplastische
Elastomere (Elastoplaste, Thermoplaste). Beispiele für
physikalisch vernetzte Formgedächtnis-Polymere sind
phasenseparierte lineare (Multi-) Blockcopolymere,
beispielsweise Polyester-Urethane mit Hartsegmenten aus
4,4´-Methyl-bis-(phenyl-isocyanat) (MDI) und 1,4-Butandiol
mit Weichsegmenten aus Poly(ε-hydroxy-caproat) bzw.
Poly(2-methyl-2-oxazolin) (Hartsegment-bildende Phase)
und Polytetrahydrofuran (Weichsegment-bildende Phase),
aber auch reines amorphes Polynorbornen. Beim
Letzteren erfolgt die Ausbildung des physikalischen
Netzwerkes durch „Verschlaufen“ der hochmolekularen,
linearen Ketten [3].
Die chemische Vernetzung erfolgt durch die Verwendung
polyfunktioneller Monomerbausteine. Beispiele für
chemisch vernetzte Formgedächntispolymere sind
thermisch vernetztes Poly(ethylen-co-vinylacetat),
Copolymersysteme aus Stearylacrylat und Ester der
Methacrylsäure, die durch N,N´´-Methylenbisacrylamid
kovalent vernetzt sind [3], vernetzte Copolymere aus
Acrylat, Caprolacton und Glykolsäure [10] bzw. vernetzte
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