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Entwicklung von "Drei-Formen-Kunststoffen" gelungen

Neu entwickelte "Drei-Formen-Kunststoffe" lassen sich mithilfe der Temperatur steuern und können zweimal hintereinander ihre Gestalt ändern. Da weltweit jährlich über 200 Millionen Tonnen Kunststoff produziert werden, sind die denkbaren Anwendungsmöglichkeiten dieser neuartigen Materialien umfangreich.

Die Entwicklung der "Drei-Formen-Kunststoffe" gelang jetzt einem deutsch-amerikanischen Forscherteam des Teltower Zentrums für Biomaterialentwicklung des GKSS-Forschungszentrum Geesthacht (GKSS) und des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (MIT). Die neuen Materialien werden über die Temperatur gesteuert und sind in der Lage, zwei Formveränderungen in unterschiedliche Richtungen auszuführen, sodass sich vielfältigste Anwendungen ergeben können.

"Eine intelligente Gefäßstütze könnte beispielsweise als noch kleines Hilfsmittel in den menschlichen Körper eingebracht werden. Dort entfaltet sich der Kunststoff, erfüllt seine Aufgabe und wird anschließend zu einer leicht aus dem Körper entfernbaren Form komprimiert", schwärmt Professor Dr. Andreas Lendlein, Leiter des GKSS-Zentrums für Biomaterialentwicklung. "Aber man könnte auch an Befestigungshaken in der Montagetechnologie denken, die ihre Befestigungsanker zunächst selbst ausrichten, bevor sie in einer genau definierten Position einrasten", so Lendlein.

Die aktiv-beweglichen Polymere sind aus zwei verschiedenen Arten von Kettensegmenten aufgebaut, die chemisch miteinander verknüpft sind. Durch diese Vernetzung auf molekularer Ebene wird die permanente äußere Form festgelegt. Damit die beiden Formänderungen stattfinden können, müssen dem Material die verschiedenen Formen zugeordnet werden.

Man nutzt dafür den Effekt, dass die beiden Kettensegmente in unterschiedlichen Temperaturbereichen verschieden flexibel sind und beim Unterschreiten einer gewissen Temperatur ihre Flexibilität verlieren. Jede der Formen ist bei konstanten Umgebungsbedingungen stabil, bis eine Temperaturerhöhung den Formenwechsel einleitet.

Die wissenschaftlichen Ergebnisse zur Entwicklung der "Drei-Formen-Kunststoffe" werden jetzt in der Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) veröffentlicht.

Die Autoren sind:
Dr. Ingo Bellin, Dr. Steffen Kelch, Prof. Dr. Andreas Lendlein (Zentrum für Biomaterialentwicklung, Institut für Polymerforschung, Teltow, GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH) und Prof. Robert Langer (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA)
Link zum entsprechenden Artikel "Polymeric triple-shape materials"

Fotoserie zur Darstellung des Drei-Formen-Effekts

Poly Fastener 2

Auf dem Bild sehen Sie eine Fotoserie zur Darstellung des Drei-Formen-Effekts eines Bauteils aus CL(50)EG, das aus einer Platte und zwei Befestigungsankern besteht: Beginnend bei 20°C wird das Bauteil in einer kompakten, platzsparenden und leicht zu handhabenden Form in einem Gerüst an der schwer zugänglichen Position rechts platziert (a, b). Eine Temperaturerhöhung auf 40°C bewirkt ein Aufklappen der gefalteten Platte und eine Positionierung in der Aussparung links im Gerüst (von c zu e). Eine weitere Erhöhung der Temperatur auf 60°C bewirkt, dass die Ankerhaken aufklappen und das Bauteil in einer genau vordefinierten Position fixieren (e, f).

Das folgende Video zeigt den Dreiformen-Effekt einer Röhre aus CL(50)EG, die in einem zweistufigen Programmierungsverfahren zu einer abgeflachten, ovalen Geometrie verformt wurde. Infolge einer Temperaturerhöhung von 20 auf 40 °C schaltet die Röhre mit einem senkrechten Durchmesser von 4.5 mm zu einer zweiten programmierten Form mit einem Duchmesser von 6.9 mm. Die endgültige, permanente Form einer kontrahierten Röhre mit einem Durchmesser von 5.8 mm wird durch weiteres Aufheizen auf 70 °C erreicht.

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