Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der kontinuumsmechanischen Formulierung des Aushärteverhaltens polymerer Werkstoffe sowie der Implementierung und Simulation von Aushärtestoffgesetzen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode. Auf Basis eines allgemeinen Modellierungsrahmens wird ein konkretisiertes Stoffgesetz für die Nachbildung von Aushärteprozessen eines acrylischen Knochenzements entwickelt. Darüber hinaus werden verschiedene Finite-Elemente-Simulationen zum klinischen Verfahren der Vertebroplastie präsentiert. / This work deals with the continuum mechanical formulation of curing phenomena in polymers as well as the implementation and simulation of curing models within the finite element method. Based on a general modelling framework, a specified material model for the simulation of curing processes in an acrylic bone cement is developed. Moreover, different finite element simulations regarding the clinical procedure of vertebroplasty are presented.

Aufbauend auf Forschungsarbeiten mit einer Hybridstruktur aus Aluminium und WPC (Wood Polymer Composite) werden die wichtigsten Entwicklungsschritte zur Synthese eines kompletten Tragprofils aus WPC vorgestellt. Dieses Tragprofil ist für den Einsatz in Hängefördersystemen vorgesehen. / Based on research with an sectional beam in hybrid design made from aluminium and WPC (Wood Polymer Composite), the important steps for developing a fully implemented sectional WPC-beam are presented. This sectional beam is intended for the use in an overhead conveying system.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die ortsaufgelöste Untersuchung der Schichtdicke und der elektrischen Eigenschaften von Funktionsschichten in gedruckten Polymersolarzellen. Die massendrucktechnische Realisierung der großflächigen Polymersolarzellen mit dem Schichtaufbau Zink/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS erfolgt im Tief- und Siebdruckverfahren auf einem papierbasierten Bedruckstoff. Die gedruckten Funktionsschichten werden mit verschieden optischen und elektrischen Messverfahren charakterisiert und die Eignung der Verfahren wird diskutiert. Abschließend wird die gesamte Polymersolarzelle mit einer Kombination aus spektraler und elektrischer Messung positionsgenau untersucht. Dadurch kann ein Zusammenhang zwischen den Solarzelleneigenschaften und den ortsaufgelösten Messwerten aufgezeigt werden. / The aim of this work is the space-resolved investigation of the layer thickness and the electrical properties of functional layers in printed polymer solar cells. The realization of the large-area polymer solar cells with a layer structure of zinc/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS occurs by gravure and screen printing on a paper-based substrate. The printed functional layers are characterized by different optical and electrical measurement methods and the suitability of these methods is discussed. Finally, the complete polymer solar cell is examined dependent on a position by using a combination of spectral and electrical measurement techniques. With this analysis a correlation between the solar cell characteristics and the space-resolved measurements can be shown.

Die Copolymerisation wurde mit dem Ziel untersucht, polymere Materialien zu synthetisieren, die die individuellen Eigenschaften der entsprechenden Homopolymere kombinieren. Die Dissertation konzentrierte sich auf die Elektrosynthese und Charakterisierung von leitfähigen Copolymerfilmen auf Basis von Pyrrol- und Thiophenderivaten. Mit einer Reihe von elektrochemischen, spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie, elektrochemische Impedanz-spektroskopie, photoelektrochemische Spektroskopie, Elektrospray- Ionisations-Massenspektroskopie, Festkörper- NMR, Raman-Spektroskopie, Thermoanalyse und Rasterelektronenmikroskopie) wurde die Bildung echter Copolymere von Pyrrol mit Bithiophen und von 3-Methylthiophen mit Ethyl-3-thiophenazetat nachgewiesen. Die analytischen Ergebnisse bestätigen, dass Random- Copolymere und keine Block-Copolymere gebildet wurden. Die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Copolymerfilme liegen zwischen denen der jeweiligen Homopolymere und sind abhängig von der Copolymerzusammensetzung. Insbesondere die Halbleiterparameter der Copolymerfilme von Pyrrol mit Bithiophen wie Flachband-Potential, Bandlücken-Energie und Ladungsträgerdichte verschieben sich von denen des reinen Polypyrrols bis zum Polybithiophen, wenn der Gehalt an Bithiophen im Copolymerfilm vergrößert wird. Diese Parameter sind einstellbar durch Variation des Monomerverhältnisses oder des Polymerisationspotentials. Außerdem konnten die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des funktionalisierten Polymers Ethyl-3-thiophenazetat durch Copolymerisation mit 3-Methylthiophen deutlich verbessert werden. Die synthetisierten leitfähigen Copolymerfilme können in der Sensorik Anwendung finden. / The copolymerization has been studied as a new strategy to synthesize polymer materials by combining interesting properties of the respective homopolymers. In this dissertation, the work focused on the electrosynthesis and characterization of conducting copolymer films based on pyrrole and thiophene derivatives. A variety of electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques such as cyclic voltammetry, electrochemical impedance and photoelectrochemical spectroscopy, electrospray ionization mass spectroscopy, solid state NMR and Raman spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy supported the formation of true copolymers of pyrrole with bithiophene and 3-methylthiophene with ethyl-3-thiophene acetate. The analytical results exhibited that random copolymers were produced rather than block copolymers. The electronic and structural characteristics of the copolymer films were intermediate between those of the respective homopolymers and they were dependent on the copolymer composition. In particular, the semiconducting parameters of the copolymer films of pyrrole and bithiophene such as flat band potential, band gap energy and charge carrier density shifted from those of polypyrrole to polybithiophene with increasing bithiophene content of the copolymer films. Such parameters were controlled precisely by alternating either the monomer ratio or the polymerization potential. In addition, the morphological and electronic properties of the functionalized polymers of ethyl-3-thiophene acetate were increased significantly by copolymerization with 3-methylthiophene. The obtained conducting copolymer films were able to be applied in the field of sensoric.

Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Frage, inwieweit die zur Herstellung von Compositmaterialien aus leitfähigen Polymerfilmen (Polythiophen, Polypyrrol) und Metalloxidschichten (anodisch oxidiertes Titan, chemisch oxidiertes Silicium bzw. Aluminium) entwickelte Präparationsmethode auf die Herstellung hybrider Core - Shell - Partikel (Core: Metalloxidpartikel; Shell: leitfähiges Polymer) übertragbar ist. Die erfolgreiche Beschichtung dispergierter Oxidpartikel mit leitfähigen Poly- meren zeigte, dass nicht nur eine analoge Verfahrensweise (Adsorption des Monomers auf der Substratoberfläche und anschließende Zugabe des Oxidationsmittels) verwendet werden konnte, sondern dass bei der Pulverbeschichtung infolge der großen spezifischen Oberfläche der Materialien auch ohne Einsatz spezieller Haftvermittler, hervorragende Schichtqualitäten (hohe Haftfestigkeit, hoher Be- deckungsgrad) erreicht wurden, und die auf diesem Wege hergestellten Verbundmaterialien in Pulverform in beliebiger Menge, Partikelgröße und Zusam-mensetzung verfügbar waren. Der durch die Verkapselung der Oxidteilchen mit intrinsich leitfähigen Polymeren bewirkte enge Kontakt zwischen Polymer- und Oxidphase und die auf diesem Wege realisierte Oberflächenmodifizierung führte zu einem im Vergleich zu den reinen Komponenten wesentlich veränderten Eigenschaftsspektrum. Durch die Herstellung von Compositen waren die leitfähigen Polymere leichter dispergierbar, und konnten kathaphoretisch in guter Qualität, auch auf großen Substratflächen abgeschieden werden. / Starting with the question about the possibility of producing composites based on conducting polymer films (polythiophene, polypyrrole) and metal oxide layers (anodically oxidized titanium, chemical oxidized silicon or aluminium) it was the goal of this work to transfer and modify this method for the preparation of hybrid core - shell - particles (core: metal oxide particle; shell: conducting polymer). By the successfully covering of dispersed oxide particles it was shown, that not only an analogous procedure (adsorption of the monomer on the substrate surface and the following addition of an oxidant) can be used, but that in the case of powder covering because of the high specific surface area of the oxide powders, outstanding layer qualities without using adhesion promotors can be produced. Following this way, powder-like compound materials can be ordered and designed in any quantity, particle size and composition. Through the encapsulation of the oxide particles with intrinsic conducting polymers a narrow contact between the polymer and the oxide phase and a surface modification were made by a very simple way. By this surface modification a totally different behaviour of the composites, compared to their components was realized. The producing of composites allowes a better dispersibility of conducting polymers and their cathaphoretically deposition with a good quality, also on larger substrate surfaces.

Der Einfluss von reduzierten Dimensionen und zunehmendem Vernetzungsgrad auf die Polymerkettendynamik in der Nähe der Glassübergangstemperatur, Tg, wird mittels der Vibrating Reed Technik untersucht. Die mechanische Dämpfung der unterstützten Polymerfilme, wird am System Polymerfilm/Substrat gemessen. Mechanische Spektroskopie liefert nicht nur die Information über Tg, es können auch die ganzen Relaxationsspektren untersucht werden.Der Effekt der reduzierten Dimensionen wird an PS Filmen untersucht. Für Filmdicken unterhalb 100 nm, wird der α Relaxationspeak, der mit dem Glassübergang verknüpft ist, zu kleineren Temperaturen hin verschoben und verbreitert. Dieser Effekt wird nur bis zu 44 nm Filmdicke beobachtet. Ein Model, das dises Verhalten beschreibt, wird vorgeschlagen. An der Grenzfläche Vakuum/Film existiert eine flüssigskeitsähnliche Schicht, die eine erhöhte Kettenbeweglichkeit zeigt, was zu dem Abfall von Tg führt. Bei der mechanischen Spektroskopie ist das Verhalten der Schicht viskos und zeigt keinen Glassübergang in dem gemessenen Temperaturbereich. Folglich, würde sich im Falle, dass die Filmdicke gleich der Dicke der flüssigkeitsänlichen Schicht ist, Tg gegen 0 annähren. Der Gegeneffekt wird durch die erhöhte Dichte an der Film/Substrat Grenzfläche untersucht, die durch die bevorzugte out of plane Orientierung den Phenylringe entsteht.Der Einfluss der Vernetzung auf die Dynamik bei Bulkfilmen wird an dem Beispiel von Poly(vinyl cinnamate) (PVCN) untersucht. Das Material ist vernetzbar durch die Bestrahlung mit UV Licht. Der Vernetzungsgrad wird durch die IR Spektroskopie untersucht. Die Beweglichkeit in der vernetzten Struktur ist behindert, deshalb wird der α Relaxationspeak zu größeren Temperaturen verschoben und die Relaxationsstärke nimmt ab. Die Linienbreite ist beeinflusst durch die Verbreiterung der Relaxationszeitdistribution, die im Folge der neuen heterogenen Struktur auftritt. Der Anteil der Vernetzungsknoten für PVCN beträgt etwa 75%.

Die in Blockcopolymeren beobachtete Mikrophasenseparation ermöglicht die Herstellung von periodischen Strukturen mit einer charakteristische Länge kleiner 100 nm. In der vorliegenden Arbeit wurden dünne Blockcopolymerfilme als Template zur Herstellung von metallischen, keramischen bzw. polymeren Nanodots untersucht. Derartige Nanodots könnten in magnetischen Datenspeichern, Superkondensatoren oder als photonische Kristalle eingesetzt werden. / The microphase seregation observed in block copolymers enables the generation of mesoscopic structures with characteristic lengths below 100 nm on a large scale. In this thesis, thin block copolymer films were investigated as templates for the synthesis of metallic, ceramic and polymeric nanodots. Such nanodots could be used in magnetic data storage devices, supercapacitors or photonic crystals.

Aufbauend auf Forschungsarbeiten mit einer Hybridstruktur aus Aluminium und WPC (Wood Polymer Composite) werden die wichtigsten Entwicklungsschritte zur Synthese eines kompletten Tragprofils aus WPC vorgestellt. Dieses Tragprofil ist für den Einsatz in Hängefördersystemen vorgesehen. / Based on research with an sectional beam in hybrid design made from aluminium and WPC (Wood Polymer Composite), the important steps for developing a fully implemented sectional WPC-beam are presented. This sectional beam is intended for the use in an overhead conveying system.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die ortsaufgelöste Untersuchung der Schichtdicke und der elektrischen Eigenschaften von Funktionsschichten in gedruckten Polymersolarzellen. Die massendrucktechnische Realisierung der großflächigen Polymersolarzellen mit dem Schichtaufbau Zink/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS erfolgt im Tief- und Siebdruckverfahren auf einem papierbasierten Bedruckstoff. Die gedruckten Funktionsschichten werden mit verschieden optischen und elektrischen Messverfahren charakterisiert und die Eignung der Verfahren wird diskutiert. Abschließend wird die gesamte Polymersolarzelle mit einer Kombination aus spektraler und elektrischer Messung positionsgenau untersucht. Dadurch kann ein Zusammenhang zwischen den Solarzelleneigenschaften und den ortsaufgelösten Messwerten aufgezeigt werden. / The aim of this work is the space-resolved investigation of the layer thickness and the electrical properties of functional layers in printed polymer solar cells. The realization of the large-area polymer solar cells with a layer structure of zinc/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS occurs by gravure and screen printing on a paper-based substrate. The printed functional layers are characterized by different optical and electrical measurement methods and the suitability of these methods is discussed. Finally, the complete polymer solar cell is examined dependent on a position by using a combination of spectral and electrical measurement techniques. With this analysis a correlation between the solar cell characteristics and the space-resolved measurements can be shown.