Acid induced step-growth polymerizations of bis(p-methoxybenzyl) carbonate (pMBC), bis(m-methoxybenzyl) carbonate (mMBC) and difurfuryl carbonate (DFC) have been performed to produce resin-foams, because controlled release of carbon dioxide takes place during polymerization of those organic carbonates. The monomers are polymerized in bulk using p-toluene sulfonic acid (pTS) as a catalyst. The volume development of the foams is assisted by use of an appropriate surfactant and the crosslinking agent 1,3,5-trioxane as co-components. A portion of carbon dioxide release is a function of the carbenium stability of the reactive intermediate derived from the monomer; DFC > pMBC ≫ mMBC. Resins derived from mMBC can be post-treated to release carbon dioxide after polymerization. The molecular structures of the resulting materials are investigated by solid state 13C-NMR spectroscopy and IR spectroscopy. Scanning electron microscopy was used to study foam morphology. The carbon dioxide release was monitored with TG-MS analysis. Finally, the polymer foams have been converted into carbon foams and investigated by means of mercury porosimetry. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Step-growth polymerization provided an effective method for the preparation of several high performance polymers. Step-growth polymerization was used for syntheses of poly(siloxane imides), polyesters, poly(triazole esters), poly(triazole ether esters), and epoxy networks. Each of these polymeric systems exhibited novel structures, and either photoreactive capabilities, or high performance properties. There is an increasing trend towards the development of photoactive adhesives. In particular these polymers are often used in flip bonding, lithography, stimuli responsive polymers, drug delivery, and reversible adhesives. The ability to tailor polymer properties carefully with exposure to light allows for very unique stimuli responsive properties for many applications. This dissertation primarily investigates photoreactive polymers for reversible adhesion for use in the fabrication of microelectronic devices. In particular cyclobutane diimide functionality within polyimides and poly(siloxane imides) and o-nitro benzyl ester functionality within polyesters acted effectively as chromophores to this end. Thermal solution imidization allowed for the effective synthesis of polyimides and poly(siloxane imides). 1,2,3,4-Cyclobutane tetracarboxylic dianhydride acted as the chromophore within the polymer backbone. The polyimides obtained exhibited dispersibility only in dipolar, aprotic, high boiling solvents such as DMAc or NMP. The obtained poly(siloxane imides) demonstrated enhanced dispersibility in lower boiling organic solvents such as THF and CHCl₃. Dynamic mechanical analysis and tensile testing effectively measure the mechanical properties of the photoactive poly(siloxane imides) and confirmed elastomeric properties. Atomic force microscopy confirmed microphase separation of the photoactive poly(siloxane imides). ¹H NMR spectroscopy confirmed formation of maleimide peaks upon exposure to narrow band UV light with a wavelength of 254 nm. This suggested photo-cleavage of the cyclobutane diimide units within the polymer backbone. Melt transesterification offered a facile method for the synthesis of o-nitro benzyl ester-containing polyesters. ¹H NMR spectroscopy confirmed the structures of the photoactive polyesters and size exclusion chromatography confirmed reasonable molecular weights and polydispersities of the obtained samples. ¹H NMR spectroscopy also demonstrated a decrease in the integration of the resonance corresponding to the o-nitro benzyl ester functionality relative to the photo-stable m-nitro benzyl ester functionality upon exposure to high-intensity UV light, suggesting photo-degradation of the adhesive. ASTM wedge testing verified a decrease in fracture energy of the adhesive upon UV exposure, comparable to the decrease in fracture energy of a commercial hot-melt adhesive upon an increase in temperature. Click chemistry was used to synthesize polyesters and segmented block copolyesters. Triazole-containing homopolyesters exhibited a marked increase (~40 °C) in Tg, relative to structurally analogous classical polyesters synthesized in the melt. However, the triazole-containing homopolyesters exhibited insignificant dispersibility in many organic solvents and melt-pressed films exhibited poor flexibility. Incorporation of azide-functionalized poly(propylene glycol) difunctional oligomers in the synthesis of triazole-containing polyesters resulted in segmented block copolyesters which exhibited enhanced dispersibility and film robustness relative to the triazole-containing homopolyesters. The segmented triazole-containing polyesters all demonstrated a soft segment Tg near -62 °C, indicating microphase separation. Dynamic mechanical analysis confirmed the presence of a rubbery plateau, with increasing plateau moduli as a function of hard segment content, as well as increasing flow temperatures as a function of hard segment content. Tensile testing revealed increasing tensile strength as a function of hard segment, approaching 10 MPa for the 50 wt % HS sample. Atomic force microscopy confirmed the presence of microphase separated domains, as well as semicrystalline domains. These results indicated the effectiveness of click chemistry towards the synthesis of polyesters and segmented block copolyesters. Click chemistry was also used for the synthesis of photoactive polyesters and segmented block polyesters. The preparation of 2-nitro-p-xylylene glycol bispropiolate allowed for the synthesis of triazole-containing polyesters, which exhibited poor dispersibility and flexibility of melt-pressed films. The synthesis of segmented photoactive polyesters afforded photoactive polyesters with improved dispersibility and film robustness. ¹H NMR spectroscopy confirmed the photodegradation of the o-nitro benzyl functional groups within the triazole-containing polyesters, which indicated the potential utility of these polyesters for reversible adhesion. Synthesis of the glycidyl ether of 2,2,4,4-tetramethyl-1,3-cyclobutane diol (CBDOGE) allowed for the subsequent preparation of epoxy networks which did not contain bisphenol-A or bisphenol-A derivatives. Preparation of analogous epoxy networks from the glycidyl ether of bisphenol-A (BPA-GE) provided a method for control experiments. Tensile testing demonstrated that, dependent on network Tg, the epoxy networks prepared from CBDOGE exhibited similar Young's moduli and tensile strain at break as epoxy networks prepared from BPAGE. Dynamic mechanical analysis demonstrated similar glassy moduli for the epoxy networks, regardless of the glycidyl ether utilized. Tg and rubbery plateau moduli varied as a function of diamine molecular weight. Melt rheology demonstrated a gel time of 150 minutes for the preparation of epoxy networks from CBDO-GE and 78 minutes for the preparation of epoxy networks from BPA-GE, with the difference attributed to increased sterics surrounding CBDO-GE. These results indicated the suitability of CBDO-GE as a replacement for BPA-GE in many applications. / Ph. D.

La synthèse de particules polyuréthane par organo-catalyse dans le dioxyde de carbone supercritique a été étudiée. Des réactions modèles ont été préalablement conduites et suivies par spectroscopie infrarouge in situ dans le CO2 supercritique afin d'identifier les catalyseurs organiques de réaction d'uréthanisation les plus efficients. Une série de polymères siliconés CO2-phile, porteurs de la fonction organo-catalytique en bout de chaîne (organo-catasurfs), a ensuite été préparée et testée dans le CO2 supercritique pour la polymérisation en dispersion de polyuréthane. / The organocatalysed synthesis of polyurethane particles in supercritical carbon dioxide has been studied. Model reactions were first carried out in supercritical CO2 and monitored by in situ infrared spectroscopy in order to indentify the most efficient catalysts for the urethanisation reaction. A series of CO2-philic silicone polymers, end-functionalised with the organocatalytic group (organocatasurfs), were then synthesised and tested in supercritical CO2 for the dispersion polymerisation of polyurethane.

A partir des mêmes briques élémentaires portant des fonctions aldéhydes et mettant en jeu des catalyseurs différents, trois types de nouveaux polymères ont été synthétisés par la polymérisation par étape dans ce travail. Dans la première partie, bis-cétone et bis-aldéhyde monomères ont directement polymérisé dans des conditions stoechiométriques par ce processus offrant polyaldols. Divers catalyseurs et des effets de la nature du solvant ont ensuite été étudiés. Dans la deuxième partie, nous avons travaillé sur la polymérisation organo-catalysée de monomères bis-aldéhydes par des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques chiraux et achiraux pour synthétiser les polymères chiraux. Enfin, la directe polymérisation des monomères de type AB2 avec une fonction aldéhyde fournit une facile synthétique approche à polyacétals hyperbrramifiés portant nombreux périphéries aldehyiques. Ces polyacétals hyperramifiés sans défauts structuraux ont ensuit été introduirsé par des chaines de PEO par réaction de « PEGylation ». L’utilisation de la postpolymymérisation permet d’offre un large varité de la propriété du polymère, à l’aide ces périphéries aldéhydiques. Enplus, les polyacétals hyperramifiés sont dégradables, et facilement hydrolysés en milieu acide. / Using the same building blocks carrying aldehyde function with different catalysts, three types of new polymers were synthesized by step-growth polymerization in this work. In the fist part, bis-ketone and bis-aldehyde monomers have been directly polymerized under stoichiometric conditions by this process affording polyaldols. The effects of different catalysts and solvent nature have also been studied. In the second part, we have studied the organo-catalyzed polymerization of bis-aldehyde monomers by precursors of chiral and achiral N-heterocyclic carbene for synthesis of chiral polymer. Finally, polymerization of AB2-type monomers with one function of aldehyde provides a facile synthetic approach to hyperbranched polyacetals carrying numerous peripheral aldehydes. These defect free hyperbranched polyacetals have been introduced PEO chains by "PEGylation" reaction. A wide variety of other functional moieties could be introduced by postpolymerization with peripheral aldehydes. Besides, the hyperbranched polyacetals are degradable in essence, being readily hydrolyzed under acidic condition.

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.

<p>  </p> <p>Polymer films possess many advantageous properties, such as mechanical flexibility, toughness, impact resistance, optical transparency, light weight, and low cost, but their behavior related to temperature stability and thermal conductivity and lack of select functionalities render them unsuitable for key applications. In the context of smart materials, piezoelectric ceramics and single crystals provide unmatched electromechanical couplings, mechanical strength, and chemical inertness, at the expense of being brittle, opaque, and high cost. A synergistic combination of properties can be achieved by combining both materials in an anisotropically structured ceramic/polymer composite (with quasi-1–3 connectivity) by the application of external electric field (E-field). In a process called dielectrophoresis, the particles align into through-thickness columns comprising a nanocolumn forest. As a result, the complementary properties greatly enhance the resulting performance, promising to revolutionize the class of smart materials with high-performance applications in actuators, sensors, and transducers. These particle-filled composites also allow for great design flexibility regarding the type of functionalization and the connectivity of each phase. Following the materials-science paradigm comprising the sequence of processing, structure, and properties, the work on these piezoelectric composite materials is broadly organized into materials selection, processing, and applications.</p> <p>In the first study, the kinetics of particle-chain alignment are modeled as a linear step-growth polymerization and the rheokinetics are modeled with the dual-Arrhenius chemoviscosity model. Employing the direct piezoelectric effect, a characterization of the vibration response of the composites complements an evaluation of their suitability as vibration sensor for motor fault detection. Second, for impact sensing, the efficacy of the piezoelectric composite films is evaluated with respect to a novel conceptual sensing system for automotive applications, such as vehicle-to-pedestrian collision detection. Third, applying the indirect piezoelectric effect for sound production as an electroacoustic loudspeaker, the piezoelectric composite films represent a novel approach to flat-panel loudspeakers that are tunable in modulus, with opportunities for mechanical flexibility, optical transparency, and large-area coverage.</p>

Depuis une quinzaine d’années, les polymères chiraux sont utilisés dans de nombreuses applications, comme phases stationnaires pour la séparation d’énantiomères ou encore en tant que catalyseurs en synthèse asymétrique. Aux vues de ces intérêts grandissants, de nombreuses méthodes ont émergé afin de les synthétiser. Nous nous sommes concentrés sur des méthodes organocatalytiques originales de synthèse de polymères chiraux par réaction de polyaldolisation et par désymétrisation de bis-anhydrides. Nous avons ainsi développé des processus de désymétrisation itératifs et ainsi généré une chiralité C-centrée sur la chaine polymérique. Des polyesters chiraux ont ainsi été obtenus avec de très bonnes séléctivités. / Chiral polymers are used in many applications such as stationary phases for chiral HPLC and catalysts in asymetric synthesis. The synthesis of chiral polymers traditionally deals with metal catalysts-based methodologies and often involved sensitive substrates. On the other hand, only a limited number of publications has been reported through environmentally-friendly organocatalytic pathways.The goal of this Ph.D. studies was devoted to the design of new routes toward chiral polymers under organocatalysis. We chose polyaldolisations and anhydride desymmetrizations with alcohols as key reactions to obtain original polymers with a C-centered chirality in the main polymer chain.

Dichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.

This dissertation reports the synthesis and characterization of semi-fluorinated polymers derived from the polymerization of bisphenols with fluoroalkenes. A series of diverse bisphenols were chosen from popular commercial bisphenols and new polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) derived bisphenols requiring synthesis. Step-growth condensation polymerization of bisphenols with three different fluoroalkene types was performed while probing polymerization conditions and the structure/properties relationship of the resulting fluoropolymers. The fluoroalkene monomers were chosen from bis(trifluorovinyloxy)biphenyl (TFVE), perfluorocyclohexene (PFCH), and perfluoro acyclic monomers, namely, perfluoro(4-methyl-2-pentene) and 1-perfluoroheptene to undergo this chemistry. This work is divided into four parts based on the polymerization methodology. The first section focuses on the development of a new class of fluorinated arylene vinylene ether (FAVE) and their chain extended polymers prepared via base-catalyzed step-growth polymerization of PAH bisphenols with the TFVE monomer. These reactions afforded polymers containing controlled terminal and enchained fluoroalkenylenes for latent reactivity such as post polymerization functionalization, chain extension, and/or crosslinking. In general, these PAH cores resulted in polymers with improved thermal properties The second portion describes the investigation of step-growth addition/elimination polymerizations of PAH bisphenols and PFCH to prepare a new class of fluoropolymers containing alternating rigid PAH linkages and enchained PFCH vinylene ether moieties in the backbone. The third section covers the preparation and characterization of semi-fluorinated poly(aryl ether sulfone)s by nucleophilic addition/elimination reactions of PFCH with sulfone bisphenols. From commercially bisphenols combined with PAH bisphenols, we introduced the industrially valuable and property enhancing diaryl sulfone unit in a series of semi-fluorinated copolymers. This modular approach greatly expands access to partially fluorinated aryl ether sulfone polymers intended for high performance applications in optoelectronics, separation/purification membranes, and composites. Finally, in the fourth section, a new class of semifluorinated polymers was synthesized via nucleophilic addition/elimination reactions of acyclic perfluoroalkenes with bisphenols. In particular, environmental concerns for biopersistent and highly regulated perfluorooctanoic acid (PFOA) is the driver for using perfluoroheptene, which is derived cleanly by the decarboxylation of these pollutants in one step. This provided a new class of semi-fluorinated materials with promising properties including thermal stable, processability, and transparent film formation.