This research has focused on understanding the mechanicPhysics and chemistry based constitutive framework for thermo-chemo-mechanical responses of polymeric materialsPhysics and Chemistry Based Constitutive Framework for Thermo-Chemo-Mechanical Responses of Polymeric Materialss and multi-physics of soft materials with rate-and temperature-dependent matrices. Such materials are oftentimes exposed to extreme environmental conditions such as Ultra-Violet (UV) light, elevated temperatures, and oxygen which degenerate their mechanical properties and contribute to their permanent failure. The irreversible changes in the mechanical response of polymers induced by such deleterious processes is commonly referred to as polymer aging. The ultimate goal of this work has been to identify the relevant damage processes affecting the lifetime of polymeric materials, and to develop predictive physics- and chemistry-based, thermodynamically consistent constitutive frameworks to evaluate their response under extreme environmental condition. A series of interconnected experimental, theoretical, and numerical studies were developed regarding the chemical, morphological, and mechanical changes that polymers and elastomers exhibit under thermo-photo-chemo-mechanical conditions. Emphasis was placed on linking the aggravation of macrostructural changes (such as cross-link breakage/formation and transformation of linkages) to the macromechanical response of aged polymers, and the development of a mathematically verifiable procedure for incorporating stored and dissipated energies – obtained through chemical experiments – into the thermodynamic formalism. Fracture was considered using the phase-field approach to brittle failure through development of robust and efficient numerical algorithms intended to solve the highly coupled and nonlinear displacement-damage problems. Results demonstrate that several chemical characterization tests such as equilibrium swelling, differential scanning calorimetry (DSC), quartz crystal microbalance with dissipation (QCMD-D), and dynamic mechanical analysis (DMA) can indeed reveal crucial information regarding the physio-chemical changes manifested within polymer networks. Information obtained from these tests can then be employed to propose accurate predictive evolution functions for the mechanical as well as the fracture properties towards a complete physics- and chemistry-based constitutive framework. Numerical analyses were performed within finite element software Abaqus via several user-element and user-material subroutines (UEL, VUMAT) to investigate the predictive capabilities of the developed frameworks in describing complex loading configurations including fracture. The developed constitutive frameworks are all thermodynamics-based and rely solely on the outputs obtained through appropriate chemical characterization techniques. Not only are the predicted results highly accurate, but also and most importantly, the developed constitutive equations are completely self-contained and bypass the need for extra fitting variables. / Doctor of Philosophy / Material science is a fundamental field of research. Understanding how materials behave under various operating conditions can help scientists and engineers propose efficient and economical designs with the aim of potentially establishing a robust foundation for our infrastructure. This work focused on the study and prediction of the deleterious effects of several environmental factors such as elevated temperature, Ultra-Violet (UV) light, and oxygen on the mechanical and failure responses of polymer systems. Several interconnected experimental, theoretical, and numerical studies were developed with the aim of characterizing the chemical, morphological, and mechanical changes that such material systems exhibit under coupled dissipation phenomena. In particular, this research aimed to investigate the aggravation of macrostructural changes that manifested themselves within polymer systems upon exposure to thermo-oxidation and photo-oxidation. Predictive constitutive frameworks were developed based on principles of thermodynamics and continuum damage theories to understand the effects that heterogeneous aging has on the mechanical and fracture responses of these materials. Results achieved in this work helped fill several gaps on both the theoretical as well as numerical sides towards a complete physics and chemistry-based constitutive framework for the analysis of multi-physics phenomena in soft materials. Overall, results shed light on our understanding of the aging process and the predictive capabilities of our proposed equations in describing such degenerative processes as thermo-chemo-mechanical aging. Findings from this work will contribute to the design of high-performance polymers in other applications such as implanted bio-medical devices. Ultimately, describing aging under extreme environmental conditions will contribute to the understanding and prediction of plastic fragmentation processes and therefore, microplastic pollution.

Proton exchange membrane fuel cells typically consist of stacks of membrane electrode assemblies sandwiched between bipolar plates, effectively combining the individual cells in series to achieve the desired voltage levels. Elastomeric gaskets are commonly used between each cell to insure that the reactant gases are isolated; any failure of a fuel cell gasket can cause the reactants to mix, which may lead to failure of the fuel cell. An investigation of the durability of these fuel cell seals was performed by using accelerated characterization methods. A hydrocarbon sealant was tested in five different environments to simulate fuel cell conditions. Viscoelastic properties of these seals were analyzed using momentary and relaxation compressive stress tests. Material properties such as secant modulus at 100% strain, tensile strength, and strain at failure were determined using dog-bone samples aged at several different imposed strains and aging times in environments of interest. Tearing energy was evaluated using trouser test samples tested under different rates and temperatures after various environmental aging conditions. Additionally, tearing tests were conducted on samples tested in liquid environment. A viscoelastic and mechanical property characterization of these elastomeric seals under accelerated aging conditions could help understand the behavior and predict durability in the presence of mechanical and environmental loading. Additionally, the effects of confinement have been evaluated for a bonded joint with varying thickness along the bonded direction. The Dreaming project is a glass art project in Fredrick, MD which incorporates such a varying thickness joint where thermal expansion of the adhesive has caused the glass adherend to break and debonding of the sealant. To examine this joint design, finite element analysis has been used to determine the effects of thermal expansion on such a complex geometry. Nine different test geometries have been evaluated to determine the effect of confinement coupled with thermal expansion on joint design with an elastomeric adhesive. Once evaluated, design changes were performed to try to reduce the loading while maintaining the general joint design. Results of this analysis can be used to determine the effects of confinement on a complex elastomeric joint. / Master of Science

Elastomeric wastes plague our time, polluting our environment and requiring urgent upcycling solutions. This research contributes to this agenda using an important source of waste, car tyre shred fibre residue (TSFR). It is demonstrated how using binders, non-foaming (SBR) and foaming (PU), we can transform these TSFR into structured porous acoustic-thermal insulation materials, suitable as underlay, cavity wall and pipe insulation. These structures were fabricated in purpose designed moulds and characterised for their porosity, tortuosity, flow resistivity and density. Their acoustic absorption performance was measured using industrial standards and the measurement underpinned with the Johnson-Champoux-Allard (JCA) model. With the under-layer materials, thermal insulation was also measured. The results were as follows: (i) 40%/60% SBR/TSFR was an optimal composition for the underlay with the addition of 15% w/w bumper crumb of size > 1mm enhancing both impact sound and thermal insulation, (ii) PU was found to produce well performing wall cavity insulation, particularly when vacuum pressure was applied, allowing micro and macro pores to be formed; (iii) PU applied with controlled amount of water to control foaming CO2 formation produced super-performing (compared with Armacell System B) stratified pipe cladding insulation, optimal at porosity stratification of 90%, 83%, and 70%; (iv) Very good agreement was observed with predictions using JCA model, allowing further research to be carried out with these now well characterised sound insulations. In addition to the developing materials, a novel technique for measuring sound absorption of pipe cladding was developed that could replace the expensive standard using a reverberation chamber.

No / Closed-form expressions are derived for the torsional stiffness, radial stiffness and tilting stiffness of annular rubber flanged bushes of finite length in three principal modes of deformation, based upon the classical theory of elasticity. Illustrative numerical results are deduced with realistic physical data of typical flanged bushes.

No / Biomass feedstock is a viable alternative to finite fossil fuel resources to provide many of the same—plus others that petrochemicals cannot—chemical building blocks required to fabricate durable and high-performance materials. We demonstrate here for the first time a new generation of synthesized elastomers, namely bio-based engineering elastomers (BEE). These are of particular significance because they are synthesized from monomers derived from biomass, by routes which are suitable for large scale production, and they exhibit thermo-mechanical properties at least equivalent to current commercial petrochemical-derived elastomers. Bio-based monomers in large scale production, such as sebacic acid, itaconic acid, succinate acid, 1,3-propanediol, and 1,4 butanediol are chosen to generate the first synthetic BEE matrix through melting polycondensation—a comparatively simple reaction scheme offering good control and the potential for low cost, large-scale production. A novel linear BEE, an almost non-crystalline copolyester elastomer with low glass transition temperature (Tg) containing double bonds is designed and synthesized using multiple monomers (to help suppress crystallization). Silica nanoparticles are then introduced into the BEE matrix to achieve significant strengthening and improved environmental stability. Chemical crosslinks formed by peroxide and the pendant double bonds in the copolyester macromolecules endow the BEE with both the necessary high elasticity and required environmental stability. The BEE nanocomposites obtained exhibit excellent thermomechanical properties, such as an ultimate tensile strength of 20 MPa.

Dielectric elastomers (DEs) are a relatively new electroactive polymer (EAP) transducer technology. They are capable of over 100% strain when actuated, and can be used as sensors to measure large strains. In actuation mode, the DE is subject to an electric field; in sensing mode, the capacitance of the dielectric elastomer is measured. In this work, a dielectric elastomer configured as a circular membrane clamped around its outer edge over a sealed chamber and inflated by a bias pressure is studied in order to characterize its static and dynamic electromechanical behavior. In both cases, the experiments were conducted with prestretched dielectric elastomer actuators fabricated from 0.5 mm or 1 mm thick polyacrylate films and unless stated otherwise carbon grease electrodes were used. The static tests investigate the effect of flexible electrodes and passive layers on the electromechanical response of dielectric elastomer membrane actuators and sensors. To study the effect of the flexible electrodes, four compliant electrodes were tested: carbon grease, silver grease, graphite spray, and graphite powder. The electrode experiments show that carbon grease is the most effective electrode of those tested. To protect the flexible electrodes from environmental hazards, the effect of adding passive elastic layers to the transducers was investigated. A series of tests were conducted whereby the position of the added layers relative to the transducer was varied: (i) top passive layer, (ii) bottom passive layer, and (iii) passive layers on both the bottom and top of the transducer. For the passive layer tests, the results show that adding elastic layers made of the same material as the DE dramatically changes both the mechanical and electrical response of the actuator. The ability to use capacitance measurements to determine the membrane's maximum stretch was also investigated. The experiments demonstrate that the capacitance response can be used to sense large mechanical strains in the membrane ï ³ 25%. In addition, a numerical model was developed which correlates very well with the experimental results especially for strains up to 41%. The dynamic experiments investigate the dynamic response of a dielectric elastomer membrane due to (i) a time-varying pressure input and (ii) a time-varying voltage input. For the time-varying pressure experiments, the prestretched membrane was inflated and deflated mechanically while a constant voltage was applied. The membrane was cycled between various predetermined inflation states, the largest of which was nearly hemispherical, which with an applied constant voltage of 3 kV corresponded to a maximum strain at the pole (center of membrane) of 28%. These experiments show that for higher voltages, the volume displaced by the membrane increases and the pressure inside the chamber decreases. For the time varying voltage experiments, the membrane was passively inflated to various predetermined states, and then actuated. Various experiments were conducted to see how varying certain system parameters changed the membrane's dynamic response. These included changing the chamber volume and voltage signal offset, as well as measuring the displacement of multiple points along the membrane's radius in order to capture its entire motion. The chamber volume experiments reveal that increasing the size of the chamber onto which the membrane is clamped will cause the resonance peaks to shift and change in number. For these experiments, the pole strains incurred during the inflation were as high as 26 %, corresponding to slightly less than a hemispherical state. Upon actuation using a voltage signal with an amplitude of 1.5 kV, the membrane would inflate further, causing a maximum additional strain of 12.1%. The voltage signal offset experiments show that adding offset to the input signal causes the membrane to oscillate at two distinct frequencies rather than one. Lastly, experiments to capture the entire motion of the membrane revealed the different mode shapes the membrane's motion resembles. / Master of Science

Raman spectroscopy is often used for material identification but may be used for characterization. This document focuses on using Raman measurements to characterize polymers, specifically the curing and aging mechanism for hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB). HTPB is a well-known elastomer used in sealants, non-slip surfaces, rocket repellants and plastic explosives. Raman spectroscopy was used to monitor urethane linkages that form from curing HTPB with a cyanate curing agent to suggest a curing mechanism for HTPB. Since this polymer is highly susceptible to oxidation, the methods used to characterize curing were also used for the aging process to see if urethane breakages could be observed. Raman measurements were compared to elongation-at-break measurements to assess the short-term aging process. Results showed that oxidation of the urethane linkage seemed to be the primary source of degradation during early thermal aging. Patterns seen in Raman data may be studied to suggest an oxidation mechanism at the urethane site as a starting point to unravel the network of aging mechanisms for HTPB. Additionally, a recently published mount design is discussed for sustained tensile strain. The mount setup was used to mechanically extend samples while taking real-time spectroscopic data. Testing for the mount was done on HTPB and high-density polyethylene, but the design may accommodate a large variety of materials and is compatible with many spectroscopic methods including Raman spectroscopy.

Elastomere werden während ihrer Lebensdauer meist mechanisch und thermisch besonders stark beansprucht. Dadurch sind sie einem hohen Verschleiß und einer Abnutzung ausgesetzt, die zum Versagen des Materials führen. Dabei können schwerwiegende Folgen für Maschine und Mensch entstehen. Eine elegante Möglichkeit diesen Erscheinungen entgegenzuwirken bietet die Entwicklung von selbstheilenden Materialien. Durch reversible Vernetzungen können Mikro- und Makrorisse verschlossen und die Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen erheblich gesteigert werden. Eine mögliche reversible Vernetzung ist die Bildung ionischer Cluster. Die in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus gerückten polyionischen Flüssigkeiten (PIF) bieten, aufgrund ihres hohen Anteils an ionischen Gruppen (meist in jeder Wiederholeinheit), eine gute Voraussetzung für eine ionische Modifizierung von Elastomeren. Ziel dieser Arbeit war es in kommerziell erhältlichem Brombutylkautschuk (BIIR) durch Modifizierung mit polyionischen Flüssigkeiten (PIF) selbstheilende Eigenschaften hervorzurufen. Dabei sollte die Reversibilität der ionischen Clusterbildung ausgenutzt werden. Aufgrund des zu erwartenden großen Einflusses der Beweglichkeit der ionischen Komponente wurden drei unterschiedliche Konzepte verfolgt, bei denen die Mobilität der PIF-Phase durch Reaktionen mit der BIIR-Matrix im unterschiedlichen Maße eingeschränkt wurde. Zum einen wurde der BIIR reaktiv mit PIF geblendet, sodass sowohl kovalente als auch nichtkovalente Vernetzungen erfolgten (Konzept 1). Nach diesem Konzept ist die Mobilität der ionischen Gruppen stark begrenzt. In einem weiteren Konzept erfolgte eine einseitige Pfropfung von PIF an den BIIR (Konzept 2). Dadurch wurde eine kovalente Vernetzung vermieden und die Beweglichkeit der PIF nur leicht eingeschränkt. Weiterhin erfolgte nach Konzept 3 ein nichtreaktives Blenden mit PIF, wodurch die freie Beweglichkeit der PIF-Phase gewährleistet war. Dafür war vorgesehen den BIIR zunächst mit niedermolekularen Alkylimidazolen ionisch zu modifiziert. Dadurch sollten alle reaktiven Stellen im BIIR blockiert und die Kompatibilität mit der PIF erhöht werden. Als Blendkomonenten wurden drei unterschiedliche PIF synthetisiert. Neue PIF (A Serie) konnten über polymeranaloge Umsetzungen von Poly(butadien-co-maleinsäureanhydrid) hergestellt werden. Hierzu wurden zunächst die Anhydridgruppen des Polymers mit 1,(3 Aminopropyl)imidazol und dann in einem zweiten Schritt mit Alkylbromid umgesetzt. In einer weiteren Serie (B-Serie) wurde Polyvinylimidazol mit Alkylbromid umgesetzt. Beide Synthesemethoden haben den Vorteil, dass durch variable Umsetzung mit verschiedenen Alkylbromiden bzw. durch Co-Umsetzung mit Alkylamiden (A-Serie) sowie durch Ionenaustausch das Eigenschaftsniveau in weitem Maße variiert und dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Insbesondere konnten durch Teilumsetzung Proben erhalten werden, welche reaktive Gruppen besitzen, die für die kovalente Bindung mit BIIR geeignet waren. Bei einer weiteren Serie (C-Serie) erfolgte die Synthese über eine Stufenwachstumsreaktion eines AB Monomers. Hierbei stand im Mittelpunkt inwieweit ein gerichteter Kettenaufbau erfolgt. Das war insofern wichtig, da diese Monomere für die einseitige Pfropfung mit BIIR vorgesehen waren, bei der eine kovalente Vernetzung vermieden wird. Durch MALDI-TOF-Untersuchungen konnte dieser gerichtete Kettenaufbau nachgewiesen werden. Die mechanischen Eigenschaften der nach den drei Konzepten hergestellten Blends wurden mit DMA-Untersuchungen und Zug-Dehnungsexperimenten ermittelt. Vergleichend wurde ein konventionell mit Schwefel vernetzter BIIR herangezogen. Besonders gute mechanische Eigenschaften wurden mit den Blends nach Konzept 2 und 3 erreicht, welche vergleichbar und teils deutlich besser waren als der schwefelvernetzte BIIR. Nach diesen beiden Konzepten erfolgte die Vernetzung ausschließlich über die Bildung ionischer Cluster. Diese reversiblen Bindungen sorgen für eine starke Vernetzung des BIIR die vergleichbar bzw. stärker ist als die kovalenten Bindungen mit Schwefel. Eher schlechte mechanische Eigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 1 beobachtet werden. Die kovalenten Verknüpfungen über die PIF sorgen für eine relativ lose und weitmaschige Vernetzung des BIIR. Die ermittelten Vernetzungsdichten sind deutlich niedriger im Vergleich zum schwefelvernetzten BIIR. Die zusätzlichen reversiblen Vernetzungspunkte durch die ionische Clusterbildung wirken sich aufgrund der eingeschränkten Mobilität schwächer aus als in den anderen Konzepten. Neben den hergestellten Blends wurden auch die ionisch modifizierten BIIR-Proben separat untersucht. Diese zeigten besonders bei der Verwendung von kurzkettigen Alkylimidazolen herausragende mechanische Eigenschaften. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der Bildung von stärkeren und kompakteren ionischen Clustern. Für die Testung der Selbstheilungseigenschaften wurden an zerschnittenen und geheilten Probekörper Zugversuche durchgeführt und mit den Werten der unbehandelten Probekörper verglichen. Um eine reproduzierbare Probenvorbereitung zu gewährleisten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Schneidevorrichtung entwickelt, in der die Heilungsversuche unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Gute Selbstheilungseigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 3 beobachtet werden. Die vorherige Modifizierung des BIIR mit längeren Alkylimidazolen wirkte sich dabei besonders vorteilhaft auf die Heilung der Proben aus. Ebenfalls sehr gute Heilungsraten konnten für die Blends nach Konzept 1 ermittelt werden. Jedoch zeigt diese Art der Modifizierung aufgrund der geringen mechanischen Stabilität das geringste Potential für mögliche industrielle Anwendungen. Für die Blends nach Konzept 2 wurden eher schlechte Heilungsraten ermittelt. Die ausschließlich ionisch modifizierten Proben zeigten die mit Abstand beste Selbstheilung, wobei die Verwendung von langkettigen Alkylimidazolen für die Heilung vorteilhaft ist. Im Vergleich mit aus der Literatur bekannten elastomeren Materialien konnten deutlich bessere Bruchspannungen für geheilte und unbehandelte Probekörper erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass über die ionische Modifizierung von BIIR nach den drei vorgestellten Konzepten Materialien mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und herausragender Selbstheilung hergestellt werden konnten. Es zeigte sich, dass diese Eigenschaften eng mit der Mobilität der für die reversible Vernetzung verantwortlichen ionischen Gruppen verknüpft sind. Der Vergleich mit einem konventionell schwefelvernetzten BIIR zeigte, dass die physikalische Vernetzung über die Bildung von ionischen Clustern (Konzept 2 und 3) vergleichbar bzw. stärker ist. Weiterhin sind diese Materialien rezyklierbar, da bei höheren Temperaturen ein Schmelzen durch Auflösen der ionischen Cluster zu erwarten ist. Diese Verbesserungen gegenüber dem schwefelvernetzten BIIR zeigen deutlich das Potential dieser Materialen für mögliche Anwendungen in der Industrie.

Elastomere werden während ihrer Lebensdauer meist mechanisch und thermisch besonders stark beansprucht. Dadurch sind sie einem hohen Verschleiß und einer Abnutzung ausgesetzt, die zum Versagen des Materials führen. Dabei können schwerwiegende Folgen für Maschine und Mensch entstehen. Eine elegante Möglichkeit diesen Erscheinungen entgegenzuwirken bietet die Entwicklung von selbstheilenden Materialien. Durch reversible Vernetzungen können Mikro- und Makrorisse verschlossen und die Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen erheblich gesteigert werden. Eine mögliche reversible Vernetzung ist die Bildung ionischer Cluster. Die in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus gerückten polyionischen Flüssigkeiten (PIF) bieten, aufgrund ihres hohen Anteils an ionischen Gruppen (meist in jeder Wiederholeinheit), eine gute Voraussetzung für eine ionische Modifizierung von Elastomeren. Ziel dieser Arbeit war es in kommerziell erhältlichem Brombutylkautschuk (BIIR) durch Modifizierung mit polyionischen Flüssigkeiten (PIF) selbstheilende Eigenschaften hervorzurufen. Dabei sollte die Reversibilität der ionischen Clusterbildung ausgenutzt werden. Aufgrund des zu erwartenden großen Einflusses der Beweglichkeit der ionischen Komponente wurden drei unterschiedliche Konzepte verfolgt, bei denen die Mobilität der PIF-Phase durch Reaktionen mit der BIIR-Matrix im unterschiedlichen Maße eingeschränkt wurde. Zum einen wurde der BIIR reaktiv mit PIF geblendet, sodass sowohl kovalente als auch nichtkovalente Vernetzungen erfolgten (Konzept 1). Nach diesem Konzept ist die Mobilität der ionischen Gruppen stark begrenzt. In einem weiteren Konzept erfolgte eine einseitige Pfropfung von PIF an den BIIR (Konzept 2). Dadurch wurde eine kovalente Vernetzung vermieden und die Beweglichkeit der PIF nur leicht eingeschränkt. Weiterhin erfolgte nach Konzept 3 ein nichtreaktives Blenden mit PIF, wodurch die freie Beweglichkeit der PIF-Phase gewährleistet war. Dafür war vorgesehen den BIIR zunächst mit niedermolekularen Alkylimidazolen ionisch zu modifiziert. Dadurch sollten alle reaktiven Stellen im BIIR blockiert und die Kompatibilität mit der PIF erhöht werden. Als Blendkomonenten wurden drei unterschiedliche PIF synthetisiert. Neue PIF (A Serie) konnten über polymeranaloge Umsetzungen von Poly(butadien-co-maleinsäureanhydrid) hergestellt werden. Hierzu wurden zunächst die Anhydridgruppen des Polymers mit 1,(3 Aminopropyl)imidazol und dann in einem zweiten Schritt mit Alkylbromid umgesetzt. In einer weiteren Serie (B-Serie) wurde Polyvinylimidazol mit Alkylbromid umgesetzt. Beide Synthesemethoden haben den Vorteil, dass durch variable Umsetzung mit verschiedenen Alkylbromiden bzw. durch Co-Umsetzung mit Alkylamiden (A-Serie) sowie durch Ionenaustausch das Eigenschaftsniveau in weitem Maße variiert und dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Insbesondere konnten durch Teilumsetzung Proben erhalten werden, welche reaktive Gruppen besitzen, die für die kovalente Bindung mit BIIR geeignet waren. Bei einer weiteren Serie (C-Serie) erfolgte die Synthese über eine Stufenwachstumsreaktion eines AB Monomers. Hierbei stand im Mittelpunkt inwieweit ein gerichteter Kettenaufbau erfolgt. Das war insofern wichtig, da diese Monomere für die einseitige Pfropfung mit BIIR vorgesehen waren, bei der eine kovalente Vernetzung vermieden wird. Durch MALDI-TOF-Untersuchungen konnte dieser gerichtete Kettenaufbau nachgewiesen werden. Die mechanischen Eigenschaften der nach den drei Konzepten hergestellten Blends wurden mit DMA-Untersuchungen und Zug-Dehnungsexperimenten ermittelt. Vergleichend wurde ein konventionell mit Schwefel vernetzter BIIR herangezogen. Besonders gute mechanische Eigenschaften wurden mit den Blends nach Konzept 2 und 3 erreicht, welche vergleichbar und teils deutlich besser waren als der schwefelvernetzte BIIR. Nach diesen beiden Konzepten erfolgte die Vernetzung ausschließlich über die Bildung ionischer Cluster. Diese reversiblen Bindungen sorgen für eine starke Vernetzung des BIIR die vergleichbar bzw. stärker ist als die kovalenten Bindungen mit Schwefel. Eher schlechte mechanische Eigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 1 beobachtet werden. Die kovalenten Verknüpfungen über die PIF sorgen für eine relativ lose und weitmaschige Vernetzung des BIIR. Die ermittelten Vernetzungsdichten sind deutlich niedriger im Vergleich zum schwefelvernetzten BIIR. Die zusätzlichen reversiblen Vernetzungspunkte durch die ionische Clusterbildung wirken sich aufgrund der eingeschränkten Mobilität schwächer aus als in den anderen Konzepten. Neben den hergestellten Blends wurden auch die ionisch modifizierten BIIR-Proben separat untersucht. Diese zeigten besonders bei der Verwendung von kurzkettigen Alkylimidazolen herausragende mechanische Eigenschaften. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der Bildung von stärkeren und kompakteren ionischen Clustern. Für die Testung der Selbstheilungseigenschaften wurden an zerschnittenen und geheilten Probekörper Zugversuche durchgeführt und mit den Werten der unbehandelten Probekörper verglichen. Um eine reproduzierbare Probenvorbereitung zu gewährleisten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Schneidevorrichtung entwickelt, in der die Heilungsversuche unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Gute Selbstheilungseigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 3 beobachtet werden. Die vorherige Modifizierung des BIIR mit längeren Alkylimidazolen wirkte sich dabei besonders vorteilhaft auf die Heilung der Proben aus. Ebenfalls sehr gute Heilungsraten konnten für die Blends nach Konzept 1 ermittelt werden. Jedoch zeigt diese Art der Modifizierung aufgrund der geringen mechanischen Stabilität das geringste Potential für mögliche industrielle Anwendungen. Für die Blends nach Konzept 2 wurden eher schlechte Heilungsraten ermittelt. Die ausschließlich ionisch modifizierten Proben zeigten die mit Abstand beste Selbstheilung, wobei die Verwendung von langkettigen Alkylimidazolen für die Heilung vorteilhaft ist. Im Vergleich mit aus der Literatur bekannten elastomeren Materialien konnten deutlich bessere Bruchspannungen für geheilte und unbehandelte Probekörper erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass über die ionische Modifizierung von BIIR nach den drei vorgestellten Konzepten Materialien mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und herausragender Selbstheilung hergestellt werden konnten. Es zeigte sich, dass diese Eigenschaften eng mit der Mobilität der für die reversible Vernetzung verantwortlichen ionischen Gruppen verknüpft sind. Der Vergleich mit einem konventionell schwefelvernetzten BIIR zeigte, dass die physikalische Vernetzung über die Bildung von ionischen Clustern (Konzept 2 und 3) vergleichbar bzw. stärker ist. Weiterhin sind diese Materialien rezyklierbar, da bei höheren Temperaturen ein Schmelzen durch Auflösen der ionischen Cluster zu erwarten ist. Diese Verbesserungen gegenüber dem schwefelvernetzten BIIR zeigen deutlich das Potential dieser Materialen für mögliche Anwendungen in der Industrie.

No description available.