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Ionenkomposite und Ionensiloxancopolymere und ihre Eignung als DEA

Grönewald, Matthias :
Ionenkomposite und Ionensiloxancopolymere und ihre Eignung als DEA.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ionenkomposite und Ionensiloxancopolymere und ihre Eignung als DEA
Language: German
Abstract:

Ionenes are a group of macromolecules, the mainchain of which consists of ions or ionic groups. Due to their dielectric and electric properties its members are more and more in the focus of research groups. Dielectric elastomeric actuators (DEA), a group of electroactive polymers, are a possible application, which are increasingly relevant as actuators, sensors or for energy harvesting. Their electromechanical working principle is based on the electric field dependent attractive forces between overlapping compliant electrodes and the resulting deformation, respectively the change in capacity due to mechanical stress. In this work ionene composites based on PDMS and aliphatic ionenes and ionene copolymers and their suitability as new materials in actuator layers for DEA are investigated. For this different ionenes are synthetized and composites are produced as thin actuator membranes, which are then characterized concerning their morphology, dielectric, electric, mechanical and eventually electromechanical properties. By means of these investigations on composites it is shown that the approach of increasing the overall permittivity through ionenes as non-ohmic, conductive fillers leads to an increase of the relative permittivity. Associated with this is however a degradation in concern to the actuator performance of the mechanical properties in form of an increasing tensile modulus (YOUNG’s modulus), which is proportional to the filler content. Due to the usage of fillers additional material parameters are negatively influenced to the point that no considerably improved electromechanical system response could be achieved. As a result of the hydroscopic nature of the applied ionene fillers the surrounding humidity is an important parameter and its influence on the properties is particularly investigated with frequency dependent electric measurements. In this context a proof of concept for humidity sensors based on thin films of Poly-6,5 ammonium iodide is given. At last a novel ionene grafted siloxane copolymer is for the first time evaluated regarding its possible applicability in DEA and based on mechanical and dielectric data the electromechanical performance estimated. In context of the concept of DEA it is eventually shown, that opposing to composites with hard fillers, ionene siloxane copolymers provide a much more positive perspective for further investigations and therefore give the oppertunity to an emerging class of new electroactive polymers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Ionene bilden eine Gruppe von Makromolekülen deren Hauptkette ionische oder ionisierte Gruppen enthält. Ihre Vertreter sind aufgrund ihrer dielektrischen und elektrischen Eigenschaften vermehrt im Interesse der Forschung. Dabei liegt eine mögliche Anwendung in dielektrischen Elastomeraktoren (DEA), einer Gruppe elektroaktiver Polymere, deren Einsatz als Aktor-, Sensor- oder Generatormaterial zunehmend voranschreitet. Das elektromechanische Wirkprinzip beruht dabei auf der feldabhängigen attraktiven Wechselwirkung gegenüberliegender flexibler Elektrodenschichten und der damit gekoppelten Deformation bzw. deren Kapazitätsänderung unter Dehnung. In dieser Arbeit wird die Eignung von Ionenkompositen auf Basis von PDMS und aliphatischen Ionenen und Ionencopolymeren als neue Materialien für Aktorschichten in DEA untersucht. Dazu werden einzelne Ionene synthetisiert und in Kompositen zu dünnen Aktormembranen verarbeitet, die dann hinsichtlich ihrer Morphologie, dielektrischen und elektrischen, mechanischen, sowie schließlich elektromechanischen Eigenschaften charakterisiert werden. Anhand von Untersuchungen an den erzeugten Kompositen kann gezeigt werden, dass der Ansatz der Permittivitätssteigerung mit Hilfe von aliphatischen Ionenen als nichtohmsche, leitende Füllstoffe zu einer Erhöhung der relativen Permittivität führt. Damit einher geht jedoch auch eine, in Bezug auf die Aktorwirkung, Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften in Form eines mit zunehmendem Füllgrad erhöhten Elastizitätsmoduls. In Verbindung mit anderen bekannten negativen Einflüssen durch den Einsatz von Füllstoffen zeigt sich so keine deutlich verbesserte elektromechanische Antwort des Systems. Aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften der eingesetzten Ionen-Füllstoffe erweist sich die Umgebungsfeuchte als ein relevanter Parameter und ihr Einfluss wird im Rahmen von frequenzabhängigen elektrischen Untersuchungen speziell evaluiert und ein Machbarkeitsnachweis für Feuchtesensoren aus dünnen Poly 6,5 ammoniumiodid-Schichten geführt. Mit einem neuen Ionen-Siloxangraftcopolymer wird zuletzt eine bisher unbeachtete Klasse von Polymeren erstmals auf ihren möglichen Einsatz als DEA untersucht und aus den erhaltenen mechanischen und dielektrischen Daten Schlüsse auf die möglichen elektromechanischen Eigenschaften gezogen. Bezogen auf das Konzept für DEA wird schließlich gezeigt, dass gegenüber von Kompositen mit harten Füllstoffen Ionensiloxancopolymere sich als aussichtsreicher erweisen und somit einen Einstieg für weiterführende Untersuchungen in eine noch kaum untersuchte Gruppe von elektroaktiven Polymeren bieten. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Aktoren, Sensoren, Ionene, Siloxane, Elektromechanik, Dielektrische Elastomeraktoren, Elektroaktive Polymere
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Makromolekulare Chemie
Date Deposited: 19 Nov 2013 07:36
Last Modified: 19 Nov 2013 07:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36368
Referees: Rehahn, Prof. Dr. Matthias and Alig, Dr. Ingo
Refereed: 1 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3636
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