The detection of smallest mechanical loads plays an increasingly important role in many areas of advancing automation and manufacturing technology, but also in everyday life. In this doctoral thesis, various microparticle systems were developed that are able to indicate mechanical shear stress via simple mechanisms. Using a toolbox approach, these systems can be spray-dried from various nanoscale primary particles (silica and iron oxide) to micrometer-sized units, so-called supraparticles. By varying the different building blocks and in combination with different dyes, a new class of mechanochromic shear stress indicators was developed by constructing hierarchically structured core-shell supraparticles that can indicate mechanical stress via an easily detectable color change. Three different mechanisms can be distinguished. If a signal becomes visible only by a mechanical load, it is a turn-on indicator. In the opposite case, the turn-off indicator, the signal is switched off by a mechanical load. In the third mechanism, the color-change indicator, the color changes as a result of a mechanical load. In principle, these indicators can be used in two different ways. First, they can be incorporated into a coating as an additive. These coatings can be applied to a wide range of products, including food packaging, medical devices, and generally any sensitive surface where mechanical stress, such as scratches, is difficult to detect but can have serious consequences. Second, these shear stress indicators can also be used directly in powder form and for example then applied in 3D-printing or in ball mills. A total of six different shear stress indicators were developed, three of which were used as additives in coatings and three were applied in powder form. Depending on their composition, these indicators were readout by fluorescence, UV-Vis or Magnetic Particle Spectroscopy. The development of these novel shear stress indicator supraparticles were successfully combined molecular chemistry with the world of nano-objects to develop macroscopic systems that can enable smart and communicating materials to indicate mechanical stress in a variety of applications. / Die Erfassung kleinster mechanischer Belastungen spielt in vielen Bereichen der fortschreitenden Automatisierungs- und Fertigungstechnik, aber auch im täglichen Leben eine immer wichtigere Rolle. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden verschiedene mikropartikuläre Systeme entwickelt, die in der Lage sind, mechanische Scherbelastungen über einfache Mechanismen anzuzeigen. Diese Systeme können mit einem Baukastenprinzip über das Sprühtrocknungsverfahren aus verschiedenen nanoskaligen Primärpartikeln (Silica und Eisenoxid) zu mikrometergroßen Einheiten, sogenannten Suprapartikeln, aufgebaut werden. Durch den Aufbau von hierarchisch strukturierten Kern-Schale Suprapartikeln, die durch Variation der verschiedenen Bausteine und in Kombination mit unterschiedlichen Farbstoffen mechanische Belastungen durch einen leicht detektierbaren Farbumschlag anzeigen können, wurde eine neue Klasse von mechanochromen Scherstress-Indikatoren entwickelt. Dabei kann zwischen drei verschiedene Mechanismen unterschieden werden. Wird ein Signal erst durch eine mechanische Belastung sichtbar, handelt es sich um Turn-on Indikatoren. Im umgekehrten Fall, den Turn-off Indikatoren, wird das Signal durch eine mechanische Belastung abgeschaltet. Beim dritten Mechanismus, den Color-change Indikatoren, ändert sich die Farbe durch eine mechanische Belastung. Diese Indikatoren können prinzipiell auf zwei verschiedene Arten eingesetzt werden. Zum einen können sie als Additive in eine Beschichtung eingearbeitet werden. Diese Schichten sind auf vielen Produkten applizierbar, wie z. B. auf Lebensmittelverpackungen, auf medizinischen Gütern oder allgemein auf allen sensiblen Oberflächen, bei denen mechanische Belastungen, wie z. B. Kratzer, schwierig zu detektieren sind, aber schwerwiegende Folgen haben können. Zum anderen sind diese Scherstress-Indikatoren auch direkt in Pulverform einsetzbar. So können sie z. B. in der Robotik, im 3D-Druck oder in Kugelmühlen eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnten insgesamt sechs verschiedene Scherstress-Indikatoren entwickelt werden, von denen drei als Additive in Beschichtungen und drei in Pulverform Verwendung finden. Diese suprapartikulären Indikatoren können, je nach Zusammensetzung, mittels Fluoreszenz-, UV-Vis- oder Magnetischer Partikel Spektroskopie ausgelesen werden und dadurch mechanische Belastung anzeigen. Durch die Entwicklung dieser neuartigen Scherstress-Indikator-Suprapartikel ist es gelungen, die Molekülchemie mit der Welt der Nanoobjekte zu verbinden und makroskopische Systeme zu entwickeln, die intelligente und kommunizierende Materialien zur Anzeige von mechanischen Belastungen in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglichen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:35281 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Wenderoth, Sarah |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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