Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

For the first time stabilizer-free vinylidene fluoride (VDF) polymerizations were carried out in homogeneous phase with supercritical CO₂. Polymerizations were carried out at 140°C, 1500 bar and were initiated with di-tert-butyl peroxide (DTBP). In-line FT-NIR (Fourier Transform- Near Infrared) spectroscopy showed that complete monomer conversion may be obtained. Molecular weights were determined via size-exclusion chromatography (SEC) and polymer end group analysis by 1H-NMR spectroscopy. The number average molecular weights were below 104 g∙mol−1 and polydispersities ranged from 3.1 to 5.7 depending on DTBP and VDF concentration. To allow for isothermal reactions high CO₂ contents ranging from 61 to 83 wt.% were used. The high-temperature, high-pressure conditions were required for homogeneous phase polymerization. These conditions did not alter the amount of defects in VDF chaining. Scanning electron microscopy (SEM) indicated that regular stack-type particles were obtained upon expansion of the homogeneous polymerization mixture. To reduce the required amount of initiator, further VDF polymerizations using chain transfer agents (CTAs) to control molecular weights were carried out in homogeneous phase with supercritical carbon dioxide (scCO₂) at 120 °C and 1500 bar. Using perfluorinated hexyl iodide as CTA, polymers of low polydispersity ranging from 1.5 to 1.2 at the highest iodide concentration of 0.25 mol·L-1 were obtained. Electrospray ionization- mass spectroscopy (ESI-MS) indicates the absence of initiator derived end groups, supporting livingness of the system. The “livingness” is based on the labile C-I bond. However, due to the weakness of the C-I bond perfluorinated hexyl iodide also contributes to initiation. To allow for kinetic analyses of VDF polymerizations the CTA should not contribute to initiation. Therefore, additional CTAs were applied: BrCCl3, C6F13Br and C6F13H. It was found that C6F13H does not contribute to initiation. At 120°C and 1500 bar kp/kt0.5~ 0.64 (L·mol−1·s−1)0.5 was derived. The chain transfer constant (CT) at 120°C has been determined to be 8·10−1, 9·10−2 and 2·10−4 for C6F13I, C6F13Br and C6F13H, respectively. These CT values are associated with the bond energy of the C-X bond. Moreover, the labile C-I bond allows for functionalization of the polymer to triazole end groups applying click reactions. After substitution of the iodide end group by an azide group 1,3 dipolar cycloadditions with alkynes yield polymers with 1,2,3 triazole end groups. Using symmetrical alkynes the reactions may be carried out in the absence of any catalyst. This end-functionalized poly (vinylidene fluoride) (PVDF) has higher thermal stability as compared to the normal PVDF. PVDF samples from homogeneous phase polymerizations in supercritical CO₂ and subsequent expansion to ambient conditions were analyzed with respect to polymer end groups, crystallinity, type of polymorphs and morphology. Upon expansion the polymer was obtained as white powder. Scanning electron microscopy (SEM) showed that DTBP derived polymer end groups led to stack-type particles whereas sponge- or rose-type particles were obtained in case of CTA fragments as end groups. Fourier-Transform Infrared spectroscopy and wide angle X-ray diffraction indicated that the type of polymorph, α or β crystal phase was significantly affected by the type of end group. The content of β-phase material, which is responsible for piezoelectricity of PVDF, is the highest for polymer with DTBP-derived end groups. In addition, the crystallinity of the material, as determined via differential scanning calorimetry is affected by the end groups and polymer molecular weights. For example, crystallinity ranges from around 26 % for DTBP-derived end groups to a maximum of 62 % for end groups originating from perfluorinated hexyl iodide for polymers with Mn ~2200 g·mol–1. Expansion of the homogeneous polymerization mixture results in particle formation by a non-optimized RESS (Rapid Expansion from Supercritical Solution) process. Thus, it was tested how polymer end groups affect the particles size distribution obtained from RESS process under controlled conditions (T = 50°C and P = 200 bar). In all RESS experiments, small primary PVDF with diameters less than 100 nm without the use of liquid solvents, surfactants, or other additives were produced. A strong correlation between particle size and particle size distribution with polymer end groups and molecular weight of the original material was observed. The smallest particles were found for RESS of PVDF with Mn~ 4000 g·mol–1 and PFHI (C6F13I) - derived end groups. / Erstmalig gelang es, stabilisatorfreie Vinylidenfluorid (VDF)-Polymerisationen in homogener Phase mit überkritischem CO₂ (scCO₂) bis zu vollständigem Monomerumsatz durchzuführen. Die Homogenität während der Polymerisation wurde durch in-line Fourier-Transform Nahinfrarot Spektroskopie beobachtet. Für Polymerisationen bei 140 °C und 1500 bar wurde Di-tert-butylperoxid (DTBP) als Initiator verwendet. Es wurden Polymere mit einem Zahlenmittel der Molmasse kleiner 104 g·mol–1 und Polydispersitäten zwischen 3.1 und 5.7. erhalten. Um isotherme Reaktionen zu ermöglichen, wurden CO₂-Gehalte zwischen 61 und 83 wt.% verwendet. Die für die homogene Reaktionsführung erforderlichen hohen Drücke und Temperaturen haben keinen Einfluss auf die Mikrostruktur des Polymers. Zur Verringerung der Initiatorkonzentration wurden weitere Polymerisationen unter Verwendung von Kettentransferreagenzien (CTA) bei 120 °C und 1500 bar in homogener Phase mit scCO₂ durchgeführt. Perfluoriertes Hexyliodid als CTA ermöglicht kontrollierte radikalische Polymerisationen, wobei Polymere mit geringer Polydispersität zwischen 1.5 und 1.2 erhalten wurden. Endgruppenanalyse mit Elektronenspray-Ionisations-Massen¬spektro¬metrie (ESI-MS) zeigte, dass keine Initiatorendgruppen im Polymer enthalten sind. Diese Beobachtung unterstützt den lebenden Charakter der Polymerisationen und basiert auf einer labilen C-I-Bindung im Polymer. Aufgrund der schwachen C-I-Bindung trägt das perfluorierte Hexyliodid (C6F13I) auch zur Initiierung bei. Polymerisationen in Gegenwart von BrCCl3, C6F13Br und C6F13H zeigten, dass nur C6F13H keinen Beitrag zur Initiierung leistet. Bei 120 °C und 1500 bar wurde ein kp/kt0.5 von ~ 0.64 (L·mol−1·s−1)0.5 bestimmt, wobei kp der Wachstums- und kt der Terminierungsgeschwindigkeitskoeffizient sind. Die Kettentransfer¬konstanten (CT) bei 120°C betragen 8·10−1, 9·10−2 und 2·10−4 für C6F13I, C6F13Br und C6F13H. Die Änderung der CT-Werte lässt sich mit der zunehmenden Bindungsenergie in der Reihe C-I, C-Br und C-H erklären. Die labile C-I-Bindung ermöglicht eine Funktionalisierung des Polymers durch Click-Reaktionen. Nach Substitution der Iodid-Endgruppe durch eine Azidgruppe erfolgte eine katalysatorfreie 1,3-dipolare Cyclaoaddition mit Alkinen zu Polymeren mit 1,2,3-Triazol-Endgruppen. Dieses endfunktionalisierte PVDF besitzt im Vergleich zu konventionellem PVDF eine höhere thermische Stabilität. Nach der Expansion der Polymerisationsmischung mit scCO₂ auf Umgebungsbedingungen lag das Polymer als weißes Pulver vor, das im Hinblick auf z.B. Polymerendgruppen, Kristallinität, Gestalt und Größe der Partikel untersucht wurde. Rasterelektronenmikroskopie zeigte, dass Polymere mit DTBP-Endgruppen zu stapelförmigen Partikeln führen, während bei CTA-Fragmenten als Endgruppen schwamm- oder rosenartige Partikel erhalten wurden. Ergebnisse der FT-IR Spektroskopie und Weitwinkelröntgenbeugung zeigten, dass der höchste Gehalt an β-phasigem Material, der für die Piezoelektrizität des PVDF verantwortlich ist, für PVDF mit Initiatorendgruppen erhalten wurde. DSC (Differential Scanning Calorimetry) Messungen ergaben zudem, dass der Kristallinitätsgrad durch Endgruppen und Polymermasse beeinflusst wird. Die Expansion der homogenen Polymermischung kann als nicht-optimierter RESS-Prozess (Rapid Expanison from Supercritical Solution,) angesehen werden. Aus RESS Experimenten unter kontrollierten Bedingungen wurden jeweils nanoskalige primäre PVDF-Partikel ohne Verwendung von Lösungsmitteln, Tensiden oder anderen Additiven erhalten. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen einerseits der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung und andererseits der Polymerkonzentration in scCO₂ vor der Expansion, bestimmt durch Polymerendgruppen und Molmassen der eingesetzten Materialien.

Electrets are materials capable of storing oriented dipoles or an electric surplus charge for long periods of time. The term "electret" was coined by Oliver Heaviside in analogy to the well-known word "magnet". Initially regarded as a mere scientific curiosity, electrets became increasingly imporant for applications during the second half of the 20th century. The most famous example is the electret condenser microphone, developed in 1962 by Sessler and West. Today, these devices are produced in annual quantities of more than 1 billion, and have become indispensable in modern communications technology. Even though space-charge electrets are widely used in transducer applications, relatively little was known about the microscopic mechanisms of charge storage. It was generally accepted that the surplus charges are stored in some form of physical or chemical traps. However, trap depths of less than 2 eV, obtained via thermally stimulated discharge experiments, conflicted with the observed lifetimes (extrapolations of experimental data yielded more than 100000 years). Using a combination of photostimulated discharge spectroscopy and simultaneous depth-profiling of the space-charge density, the present work shows for the first time that at least part of the space charge in, e.g., polytetrafluoroethylene, polypropylene and polyethylene terephthalate is stored in traps with depths of up to 6 eV, indicating major local structural changes. Based on this information, more efficient charge-storing materials could be developed in the future. The new experimental results could only be obtained after several techniques for characterizing the electrical, electromechanical and electrical properties of electrets had been enhanced with in situ capability. For instance, real-time information on space-charge depth-profiles were obtained by subjecting a polymer film to short laser-induced heat pulses. The high data acquisition speed of this technique also allowed the three-dimensional mapping of polarization and space-charge distributions. A highly active field of research is the development of piezoelectric sensor films from electret polymer foams. These materials store charges on the inner surfaces of the voids after having been subjected to a corona discharge, and exhibit piezoelectric properties far superior to those of traditional ferroelectric polymers. By means of dielectric resonance spectroscopy, polypropylene foams (presently the most widely used ferroelectret) were studied with respect to their thermal and UV stability. Their limited thermal stability renders them unsuitable for applications above 50 °C. Using a solvent-based foaming technique, we found an alternative material based on amorphous Teflon® AF, which exhibits a stable piezoelectric coefficient of 600 pC/N at temperatures up to 120 °C. / Elektrete sind Materialien, welche orientierte elektrische Dipole oder eine elektrische Überschussladung über längere Zeit speichern können. Der Begriff wurde 1885 von Oliver Heaviside in Anlehnung an das Wort "Magnet" eingeführt. Zunächst nur als wissenschaftliche Kuriosität betrachtet, wurden sie seit Mitte des 20. Jahrhunderts in zunehmendem Maße für technische Anwendungen interessant. Als bekanntestes Beispiel sei hier das 1962 von Sessler und West entwickelte Elektret-Kondensator-Mikrofon erwähnt, welches in jährlichen Stückzahlen von mehr als 1 Milliarde hergestellt wird und aus der modernen Kommunikationstechnik nicht mehr wegzudenken ist. Trotz der weit verbreiteten Anwendungen in der Sensorik war bisher nur wenig über die mikroskopischen Mechanismen der Ladungsspeicherung bekannt. Allgemein wird davon ausgegangen, dass die Überschussladungen in physikalischen oder chemischen Haftstellen gespeichert sind. Bisherige Experimente zur thermisch stimulierten Entladung ergaben Bindungsenergien unterhalb von 2 eV, was im Widerspruch zu den beobachteten Lebensdauern (extrapoliert wurden Werte von mehr als 100000 Jahren) steht. Mittels photostimulierter Entladung sowie simultaner Messung des Ladungsprofils konnte nun für eine Reihe wichtiger Elektret-Polymere (darunter das unter dem Handelsnamen Teflon® bekannte Polytetrafluorethylen, Polypropylen und Polyethylenterephthalat) erstmals gezeigt werden, dass zumindest ein Teil der Ladungen in tiefen Haftstellen von bis zu 6 eV gespeichert wird, was auf eine tiefgreifende lokale Strukturänderung hinweist. Ausgehend von dieser Information könnten in Zukunft Materialien mit verbesserter Ladungsspeicherung gezielt entwickelt werden. Die neuen Messungen waren erst möglich, nachdem mehrere Verfahren zur Bestimmung elektrischer, elektromechanischer und mechanischer Eigenschaften von Elektreten für einen In Situ-Einsatz weiterentwickelt wurden. So konnten z. B. durch Anregung von kurzen Wärmepulsen in der Polymerfolie Informationen über das Tiefenprofil der Raumladung in Echtzeit gewonnen werden. Die schnelle Abtastung ermöglichte darüber hinaus die dreidimensionale Kartierung von Polarisationsprofilen und Raumladungen. Ein zur Zeit sehr aktives Forschungsgebiet ist die Entwicklung piezoelektrischer Sensorfolien aus geschäumten Elektret-Polymeren. Nach elektrischer Aufladung in einer Korona-Entladung werden Ladungen an der Innenseite der Gasbläschen gespeichert, wodurch das Material piezoelektrische Eigenschaften erhält, welche deutlich besser sind als die der herkömmlichen ferroelektrischen Polymere. Für die bisher gebräuchlichen Polypropylenschäume wurde neben der Temperaturstabilität mittels dielektrischer Resonanzspektroskopie auch das Verhalten unter UV-Bestrahlung untersucht. Aufgrund ihrer beschränkten thermischen Stabilität sind diese Schäume nicht für Anwendungen oberhalb von 50 °C geeignet. Mittels eines Lösungsmittel-basierten Schäumungsverfahrens wurde ein alternativer Werkstoff auf der Basis von amorphem Teflon® AF entwickelt, welcher einen stabilen piezoelektrischen Koeffizienten von 600 pC/N bei Temperaturen von bis zu 120 °C aufweist.

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2007

Mechanochromic polymers respond to external force by changing their color. This can be achieved by the incorporation of a molecular switch such as spiropyran (SP) into polymers. SPs can be isomerized by mechanical force from their colorless form into colored merocyanines. Main chain copolymerization of spiropyrans allows investigation of their mechanochromic behavior and potential use as force sensors. So far, several covalent polymer matrices have been used to investigate the mechanochromic response of SPs, among them poly(ε caprolactone) (PCL). Less investigated is how the mechanochromic response can be fine-tuned by substituent effects. First, PCL with differently substituted spiropyrans at the chain’s midpoint were used in order to investigate the effect of different substituents and their regiochemistry on the isomerization behavior of SPs under mechanical stress. A low activation barrier was observed for NO2 substitution of “ortho”-spiropyrans compared to no substitution (R = H). In order to investigate phenyl-substituted “para,para” spiropyrans, a newly developed kinked polyarylene was employed as covalent matrix material. This new polyarylene (PmmpP) has a meta,meta,para connection in its backbone and exhibits excellent mechanical properties. Its high strength allows the isomerization of this molecular switch with a large activation barrier. The phenyl-substituted “para,para” spiropyran showed transient mechanochromism and was switched 25 times in force-and-release cycles. The synthesis of PmmpP was carried out by a Suzuki polycondensation in three steps from commercial starting materials. To further capitalize on the simplicity and properties of PmmpP, a two step synthesis of a semifluorinated kinked polyarylene was demonstrated by direct arylation polycondensation with tetrafluorobenzene (F4). This partially fluorinated PmmpF4 was synthesized with a variety of side-chains. Resulting polymers exhibited a large range of glass transition temperatures, allowing for the production of tailor-made smart materials.