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Einfach programmierbare Materialien: Formgedächtnis-Kunststoffe

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Nachdem Covestros innovative Formgedächtnis-Kunststoffe (Shape Memory Plastic, SMP) einen Spritzgieß- oder Extrusionsprozess durchlaufen haben, können sie in einer anderen Form stabilisiert und anschließend auf Befehl wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden. Das Geheimnis dieser intelligenten Materialien liegt in ihrer Netzwerkstruktur, die bereits unzählige Anwendungen verbessert.

Formgedächtnismaterialien (Shape Memory Materials, SMM) sind superelastische, reaktionsfähige Werkstoffe, die sich vorübergehend verformen und durch bestimmte Auslöser wieder ihre ursprüngliche Form annehmen können. Diese Auslöser können die Temperatur, Licht, der pH-Wert, Magnetfelder oder Chemikalien sein. Obwohl das Konzept der SMM futuristisch anmutet, gibt es sie bereits seit einiger Zeit und sie bergen noch immer großes Potential für Innovationen auf zahllosen Gebieten.
Die wunderbare Welt der SMM

Kreative Schöpfungen wie der lustig hüpfende „fliegende Gummi“ (oder Flubber, vom englischen Begriff „flying rubber“) oder die bedrohlichen Flüssigmetall-Roboter in Terminator 2 zeigen, dass die Populärkultur schon lange von Materialien fasziniert ist, die ihre Form ändern können. Doch die ersten Materialien, die sich ihrer Form in gewisser Weise „bewusst“ waren, wurden im wahren Leben bereits in den 1930er Jahren entwickelt. Die als Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloys, SMA) bekannten Stoffe werden auch als intelligente Metalle oder Muskeldrähte bezeichnet. Zu ihnen zählen Legierungen wie Nickel-Titan (Nitinol). Superelastische Formgedächtnislegierungen werden als leichte Stellglieder und Pneumatikventile in der Automobilindustrie, in der Robotik und anderen Anwendungen eingesetzt.

Durch die Entdeckung von Polyurethan und Fortschritte in der Polymerforschung hat sich das Angebot der intelligenten Materialien um verschiedene Polymere erweitert. Viele Eigenschaften der manchmal als „Kunststoffe mit Verstand“ bezeichneten Formgedächtnis-Kunststoffe (SMP) machen sie attraktiver als SMA. Sie bieten ein extrem hohes elastisches Verformungsvermögen, bedeutend niedrigere Kosten, eine geringe Dichte und einen breiten Bereich anpassbarer Anwendungstemperaturen. Weitere Vorteile sind ihre leichte Verarbeitbarkeit sowie die mögliche Biokompatibilität und inhärente biologische Abbaubarkeit bestimmter Polyurethantypen und anderer Komponenten.

Obwohl sich ihre spezifischen Eigenschaften unterscheiden, beruhen SMA und SMP auf einem ähnlichen Prinzip, das ihre Struktur bestimmt: Zwei verschiedene Materialien werden chemisch gebunden, verfügen aber über getrennte Phasen, wie es z. B. bei Öl in Wasser der Fall ist. Die beiden Phasen sind zwar nicht sichtbar voneinander getrennt, ziehen sich aber weit genug auseinander, um ein strukturiertes Netzwerk aus Hart- und Weichsegmenten zu bilden (ein sogenanntes Block-Copolymer). Die Weichsegmente haben die Aufgabe, vorübergehende Verformungen zu ermöglichen, während die Hartsegmente die Wiederherstellung der ursprünglichen Form des Materials unterstützen.

Aufbauend auf diesem Grundprinzip und mit Expertenwissen auf dem Gebiet der Polymere haben Covestros Wissenschaftler ein neues, intelligentes thermoplastisches Polyurethan (TPU) entwickelt, das mit seinem Potential viel Inspiration für zahlreiche Anwendungen bietet.
Desmopan® 2795A SMP – TPU-Formteile mit gutem Gedächtnis

Desmopan® 2795A SMP ist ein Formgedächtnis-Kunststoff (SMP), der mittels eines patentierten Prozesses synthetisiert wird. Das Polyester-TPU wird zu Bauteilen spritzgegossen oder extrudiert, die dann mithilfe einer thermomechanischen Behandlung vorübergehend in einer anderen Form stabilisiert werden können. Trotz dieser Verformung bleibt die ursprüngliche, dauerhafte Form im Material „gespeichert“. Wird das TPU über eine bestimmte Temperatur erwärmt, die sogenannte Schalttemperatur (oder wissenschaftlich korrekt die „Phasenübergangstemperatur des Polyols“, von ca. 40 °C, kann seine Form fast vollständig wiederhergestellt werden.

Das TPU wurde in enger Zusammenarbeit mit der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin entwickelt, wo die mechanischen Eigenschaften, das Alterungsverhalten und das Formgedächtnis bei Langzeitnutzung untersucht wurden. Der Werkstoff verfügt über eine durchschnittliche Härte von ca. 92 Shore A bei Raumtemperatur und von 72 Shore A bei 60 °C und weist damit bei diesen Temperaturen eine erheblich größere Differenz bei der Härte als herkömmliches TPU auf. Ansonsten bietet es die gleichen Vorteile wie TPU: Abriebfestigkeit, Elastizität und Flexibilität über einen breiten Temperaturbereich. Darüber hinaus ist es auch beständig gegenüber vielen Chemikalien. Desmopan® 2795A SMP eignet sich sogar für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt. Der neue Desmopan-Typ ist wiederverwertbar und kann für eine Wiederverarbeitung in weiteren Anwendungen ohne Qualitätsverluste dauerhaft umgeschmolzen werden.

Wir können uns Anwendungen in Bereichen vorstellen, die vom Maschinenbau über die Automobil-, Textil-, Sport- und Freizeitindustrie bis hin zur Spielzeugherstellung sowie der Luft- und Raumfahrt reichen.

Jürgen Hättig

Leiter der Anwendungsentwicklung für TPU bei Covestro

Vielversprechende Anwendungsideen: Desmopan® 2795A SMP auf dem Feld und im Regal

In Zusammenarbeit mit dem BAM wurden bereits zwei konkrete Anwendungen für den neuen SMP entwickelt: selbstaufrichtende Folientunnel und fälschungssichere Etiketten mit QR-Codes.

Der erste mögliche Anwendungsfall betrifft die Integration von Desmopan® 2795A SMP in Folientunnel, die zur Verlängerung der Anbausaison von Blumen und Gemüse verwendet werden. Diese tragbaren Konstruktionen bestehen aus Stützbögen und einer Abdeckung, die bei vielen Gärtnern aus leichten Kunststoffrohren und -folien bestehen. Der Aufbau dieser Gewächshäuser im Miniaturformat ist jedoch recht aufwendig. Werden die Bögen aber aus Desmopan® 2795A SMP spritzgegossen und extrudiert, können sie vorübergehend in einer flachen Form stabilisiert und auf transparente Folien aufgebracht werden. Diese Folien werden dann über dem Beet ausgerollt und wenn sie erwärmt werden, nehmen die Bögen wieder ihre dauerhafte Form an. Das Ergebnis: selbstaufrichtende Folientunnel für einen effizienten Aufbau in praktisch jeder Größenordnung.

Eine zweite Anwendungsmöglichkeit ist der Einsatz von Formgedächtnis-TPU für Etiketten mit QR-Codes. Nachdem das TPU-Etikett eingefärbt und mit einem QR-Code graviert wurde, wird es vorübergehend verformt, um es unleserlich zu machen. Erst nachdem es erwärmt wurde und seine ursprüngliche Form wieder angenommen hat, kann das Etikett mit einem Lesegerät (z. B. einem Smartphone) gelesen werden. Diese intelligenten TPU-Etiketten eignen sich hervorragend für eine fälschungssichere Auszeichnung und Identifikation von Waren auf Anforderung. Ein leicht abgewandelter Prozess kann sogar verwendet werden, um Symbole, Logos u. Ä. auf TPU-Etiketten für mehr Sicherheit vorübergehend unsichtbar zu machen.
Formgedächtnis-TPU in Gegenwart und Zukunft

Gegenwärtig sind zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für diese aufkommende Technologie vorstellbar und die Aussichten sind vielversprechend. Jürgen Hättig, Leiter der Anwendungsentwicklung für TPU bei Covestro, erklärt: „Wir können uns Anwendungen in Bereichen vorstellen, die vom Maschinenbau über die Automobil-, Textil-, Sport- und Freizeitindustrie bis hin zur Spielzeugherstellung sowie der Luft- und Raumfahrt reichen.“ Formgedächtnis-Kunststoffe haben weitreichendes Potential für den Einsatz in künstlichen Muskeln, Scharnieren, Sonnensegeln, sich selbst öffnenden und schließenden Verpackungen, überdruckbarer Blindenschrift oder Textilien, die ihre Falten von selbst glätten. In Zukunft werden neue Werkstoffkombinationen und extrem anpassungsfähige Polymere sicherlich noch weitere Optionen eröffnen.

Wesentliche Vorteile

  • Ausgezeichnete Elastizität 
  • Leichte Verarbeitung 
  • Chemikalienbeständig und abriebfest 
  • Geeignet für Wiederverwertung/Recycling 

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