Polymergele, wie beispielsweise Hydrogele, die aus vernetzten Polymerketten und niedermolekularen Lösungsmitteln bestehen, wurden aufgrund der Ähnlichkeit ihrer mechanischen Eigenschaften mit denen von weichen biologischen Geweben weit verbreitet in biomedizinischen Anwendungen, flexibler Elektronik und weichen Maschinen verwendet. Das Design von Polymernetzwerken und sein Beitrag zu den Eigenschaften solcher Materialien wurden ausgiebig untersucht. Die infundierten Lösungsmittel, die die innere Struktur von Gelen stark beeinflussen würden, werden jedoch selten untersucht. Ziel dieser Dissertation ist es, eine Reihe von Lösungsmittelstrategien zur Herstellung funktioneller Polymergele bereitzustellen.
In Kapitel 1 wird eine allgemeine Einführung in funktionelle Polymergele basierend auf verschiedenen Lösungsmitteln gegeben, die die verschiedenen Wahlmöglichkeiten von Lösungsmitteln für Polymergele und von den Lösungsmittelstrategien abgeleitete Funktionen abdeckt. Für die Auswahl der Lösungsmittel wurden die Herstellungsmethoden und die neuesten Entwicklungen der Polymergele auf Basis verschiedener Lösungsmittel zusammengefasst, darunter organische Lösungsmittel, ionische Flüssigkeiten, tiefeutektische Lösungsmittel und Polymerflüssigkeiten. Dann wurden die aus den Lösungsmittelstrategien abgeleiteten Funktionen diskutiert, darunter rutschige Oberflächen, Gefrierbeständigkeit oder thermische Stabilität, überlegene mechanische Eigenschaften und elektrische Leistung.
In Kapitel 3.1 wurde ein Polymergelsystem auf Basis von Poly(ethylenglykol) (PEG) als Flüssigphase demonstriert. Der kritische Einfluss der Lösungsmittelnatur auf die mechanischen Eigenschaften und die Leistung von weichen Polymergelen wurde untersucht. Als elastisches Polymernetzwerk wurde ein physikalisch vernetztes Copolymer aus 2-Hydroxyethylmethacrylat und Acrylsäure gewählt. Verglichen mit dem entsprechenden Gel auf Hydrogel- oder Ethylenglykolbasis weist das PEGgel außergewöhnliche physikalische Eigenschaften auf, wie z. B. hohe Dehnbarkeit und Zähigkeit, schnelle Selbstheilung und Langzeitstabilität unter Umgebungsbedingungen. Je nach Molekulargewicht und PEG-Anteil variierte die Zugfestigkeit von PEGgelen von 0,22 MPa bis 41,3 MPa, die Bruchdehnung von 12 % bis 4336 %, der Elastizitätsmodul von 0,08 MPa bis 352 MPa und die Zähigkeit von 2,89 MJ m-3 bis 56,23 MJ m-3. Die erhaltenen Polymergele können zur Herstellung eines selbstheilenden pneumatischen Aktuators durch 3D-Druck verwendet werden. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften des PEGgel-Systems könnten auf andere Polymernetzwerke (sowohl chemisch als auch physikalisch vernetzt) ausgedehnt werden.
In Kapitel 3.2 wurden Ionen in das Lösungsmittelsystem eingeführt, um ionisches PEGgel herzustellen. Der Einbau von Ionen in PEG erhöht gleichzeitig die Festigkeit und Zähigkeit der Polymergele. Das typische ionische PEGgel besteht aus in situ gebildeten, physikalisch vernetzten Poly(2-hydroxyethylmethacrylat)-Netzwerken und PEG und weist eine hohe Leitfähigkeit (0,04 S m-1), eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität (> 60.000 Zyklen), eine extreme Dehnbarkeit ( bis zu 1400 %), hohe Zähigkeit (7,16 MJ m-3), schnelle Selbstheilungseigenschaft, die eine Wiederherstellung der Ionenleitfähigkeit innerhalb von Sekunden ermöglicht, sowie keine Lösungsmittelleckage auf. Mehrere Anwendungen von ionischem PEGgel wurden als (a) flexible Sensoren zur Dehnungs- oder Temperaturmessung, (b) Hautelektroden zur Aufzeichnung von Elektrokardiogrammen und (c) als robustes und sensorisches Material für pneumatische künstliche Muskeln demonstriert.
In Kapitel 3.3 wurde eine In-situ-Phasentrennung im PEGgel-System unter Verwendung der Mischung aus PEG und Polypropylenglykol (PPG) als Lösungsmittel gebildet. Die phasengetrennten Polymergele wurden durch direktes Polymerisieren von 2-Hydroxyethylmethacrylat in einer Mischung aus PEG und PPG hergestellt. Die polymerisierten elastischen Netzwerke weisen eine unterschiedliche Löslichkeit in PEG (hochlöslich) und PPG (schwach löslich aufgrund des vorhandenen Methyls in der Hauptkette) auf, was zu einem makroskopisch homogenen kovalenten Netzwerk mit in-situ-Phasentrennung führt. Das resultierende phasengetrennte gel zeigt eine hohe Festigkeit (8,0 MPa), eine günstige Bruchdehnung (430 %) und eine große Zähigkeit (17,0 J m-3). Die getrennten Phasen verleihen dem Polymergel eine Formgedächtniseigenschaft, die für verschiedene weiche Maschinen in Kombination mit 3D-Druckfähigkeit verwendet werden kann. Dann wurden Ionen in das PEG/PPG-Lösungsmittel eingebaut, um eine hierarchische Verbesserung in Polymergelen zu erreichen, die von den ionischen Wechselwirkungen (Nanoebene) bis zur Phasentrennung (Mikroebene) reicht. Eine solche hierarchische Struktur verbesserte die Festigkeit und Zähigkeit von Polymergelen weiter und zeigte eine hohe Bruchfestigkeit (12,2 MPa) und Bruchenergie (54 kJ m-2).
Abschließend wurde ein Ausblick auf die Herausforderungen gegeben, denen man sich bei der Entwicklung funktioneller Polymergele stellen muss. Um die Entwicklung von Polymergelen in verschiedenen Bereichen zu beschleunigen, müssen wir sowohl das Netzwerkdesign als auch die Lösungsmittelstrategien optimieren. Fortschritte auf nur einer Seite reichen nicht aus, um alle Herausforderungen zu lösen
