Programming of One- and Two-Step Stress Recovery in a Poly(ester urethane)

This work demonstrates that phase-segregated poly(ester urethane) (PEU) with switching segments of crystallizable poly(1,4-butylene adipate) (PBA) can be programmed to generate two separate stress recovery events upon heating under constant strain conditions. For programming, two elongations are applied at different temperatures, followed by unloading and cooling. During the adjacent heating, two-step stress recovery is triggered. The results indicate that the magnitude of the stress recovery signals corresponds to the recovery of the two deformation stresses in reverse order. As demonstrated by further experiments, twofold stress recovery can be detected as long as the elongation at higher temperature exceeds the strain level of the deformation at lower temperature. Another finding includes that varying the lower deformation temperature enables a control over the stress recovery temperature and thus the implementation of so-called “temperature-memory effects”. Moreover, exerting only one elongation during programming enables a heating-initiated one-step stress recovery close to the deformation temperature. Based on these findings, such polymers may offer new technological opportunities in the fields of active assembly when used as fastening elements and in functional clothing when utilized for compression stockings

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus Polymeren mit Formgedächtnis oder thermoresponsiven Eigenschaften

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Polymer-Formteilen aus thermoresponsiven Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Extrudieren des Polymers und Kalibrieren des Extrudates zu einem, insbesondere folienförmigen, Endlosstrang; (c) zumindest teilweises Verformen des Endlosstrangs bei einer Temperatur oberhalb der Schalttemperatur des Polymers; (d) Abkühlen des verformten Endlosstrangs auf eine Temperatur unterhalb der Schalttemperatur des Polymers; und (e) Ablängen des verformten Endlosstrangs unter Erhalt der Polymer-Formteile. In einem zusätzlichen Schritt (b) kann der Endlosstrang insbesondere mit einem Aufdruck, wie einem Code, versehen werden, welcher vorzugsweise im nachfolgenden Schritt (c) zumindest teilweise verformt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Herstellung derartiger Polymer-Formteile, z. B. in Form von Informationsträgern

Programming of Temperature-Memory Onsets in a Semicrystalline Polyurethane Elastomer

We demonstrate that phase-segregated poly­(ester urethane) (PEU) with crystallizable switching segments of poly­(1,4-butylene adipate) (PBA) excels as high-performance temperature-memory polymer. Temperature-memory effects (TMEs) with regard to strain and stress recovering could be programmed by polymer elongation at temperatures below or within the PBA melting transition, followed by cooling under constant stress below the PBA crystallization transition and unloading. Beyond that conventional approach, a novel TME programming route was designed, mostly consisting in specimen elongation and unloading at the same temperature. As a result, an enhanced control over the onsets of strain and stress recovering could be achieved. With these findings, the TME could be exploited to switch quick response (QR) codes in recently developed information carriers from unreadable to readable. We conjecture that such behavior can be programmed into virtually all semicrystalline elastomers and anticipate applicability as label technology to monitor temperature abuse of food and pharmaceuticals

Additive Fertigung von Informationsträgern mit Formgedächtniseigenschaften: Vortrag gehalten auf der WerkstoffWoche 2019, Symposium "Additive Fertigung", 18.-20. September 2019, Dresden

Formgedächtnispolymere (in Engl.: "Shape Memory Polymers") sind stimulus-responsive Materialien. Wird ihnen im Rahmen einer thermomechanischen Vorbehandlung, einer sogenannten Programmierung, eine zweite Form aufgezwungen, dann können sie diese temporäre Form so lange beibehalten, bis man den Formgedächtniseffekt auslöst. Die daraufhin erfolgende Formrückstellung wird schließlich mit der nahezu vollständigen Rückkehr des Materials in dessen ursprüngliche, permanente Form abgeschlossen. In dem Vortrag wird ein neuartiges Herstellungsverfahren für sogen. Quick Response (QR)-Codeträger vorgestellt. Die dazugehörige Materialplattform liefern Polyesterurethane (PEUs) mit Formgedächtniseigenschaften. Das Konzept der Informationsträger sieht vor, dass QR-Codes durch das thermische Auslösen des Formgedächtniseffektes von einem vorübergehend nicht zu entschlüsselnden Zustand in einen maschinell lesbaren Zustand geschaltet werden können, so dass Informationen quasi per Knopfdruck freigegeben werden können. Somit verfügen sie über das Potential zur Kennzeichnung plagiatsgefährdeter Produkte, wo sie Informationen über deren Echtheit preisgeben können. Aufgrund der Tatsache, dass sich frühere Herstellungsverfahren als kompliziert und zeitaufwendig erwiesen haben, wurde die Schmelzschichtung (in Engl.: "Fused Filament Fabrication", kurz FFF) als additive Fertigungstechnologie für die Herstellung von Informationsträgern getestet. Neben den aktuellen Erkenntnissen wird auch skizziert, wo derzeit die Grenzen des FFF-Verfahrens in Bezug auf die horizontale (XY-Druckebene) und die vertikale Strukturauflösung (in Z-Richtung) liegen und welchen Zugang das Druckparameterprofil von PEU für die Herstellung weiterer, filigraner Strukturen ebnen kann

Additive Manufacturing of Information Carriers Based on Shape Memory Polyester Urethane

Shape memory polymers (SMPs) are stimuli-responsive materials, which are able to retain an imposed, temporary shape and recover the initial, permanent shape through an external stimulus like heat. In this work, a novel manufacturing method is introduced for thermoresponsive quick response (QR) code carriers, which originally were developed as anticounterfeiting technology. Motivated by the fact that earlier manufacturing processes were sometimes too time-consuming for production, filaments of a polyester urethane (PEU) with and without dye were extruded and processed into QR code carriers using fused filament fabrication (FFF). Once programmed, the distinct shape memory properties enabled a heating-initiated switching from non-decodable to machine-readable QR codes. The results demonstrate that FFF constitutes a promising additive manufacturing technology to create complex, filigree structures with adjustable horizontal and vertical print resolution and, thus, an excellent basis to realize further technically demanding application concepts for shape memory polymers

Reversibly Photoswitchable High‐Aspect Ratio Surfaces

Herein, the fabrication of light‐sensitive high‐aspect ratio surfaces with switchable topography using melt‐electrowriting of shape‐memory polymers and deposition of light‐to‐heat converting black ink on it by dip coating is reported on. The lamellae exposed to low temperatures are hard and cannot be deformed by water droplets. The temperature reached upon illumination of surfaces is close to the melting point of the soft segment of the polyurethane that leads to softening of the polymer. Due to this, it is possible to locally deform and recover the light‐softened surface structures by water droplets deposited on lamellae. The deformed state can be fixed by cooling down resulting in the crystallization of the polymer. Thus, the reversibility of local deformation can be achieved. Finally, the application of the developed approach and materials for the fabrication of smart light‐controlled valves is demonstrated, which can be used for the controlled mixing of fluids in microfluidic devices