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Sound surrounds us all the time and in every place in our daily life, may it be pleasant music in a concert hall or disturbing noise emanating from a busy street in front of our home. The basic properties are the same for both kinds of sound, namely sound waves propagating from a source, but we perceive it in different ways depending on our current mood or if the sound is wanted or not. In this thesis both pleasant sound as well as disturbing noise is examined by means of simulating the sound and visualizing the results thereof. However, although the basic properties of music and traffic noise are the same, one is interested in different features. For example, in a concert hall, the reverberation time is an important quality measure, but if noise is considered only the resulting sound level, for example on ones balcony, is of interest. Such differences are reflected in different methods of simulation and required visualizations, therefore this thesis is divided into two parts. The first part about room acoustics deals with the simulation and novel visualizations for indoor sound and acoustic quality measures, such as definition (original "Deutlichkeit") and clarity index (original "Klarheitsmaß"). For the simulation two different methods, a geometric (phonon tracing) and a wave based (FEM) approach, are applied and compared. The visualization techniques give insight into the sound behaviour and the acoustic quality of a room from a global as well as a listener based viewpoint. Furthermore, an acoustic rendering equation is presented, which is used to render interference effects for different frequencies. Last but not least a novel visualization approach for low frequency sound is presented, which enables the topological analysis of pressure fields based on room eigenfrequencies. The second part about environmental noise is concerned with the simulation and visualization of outdoor sound with a focus on traffic noise. The simulation instruction prescribed by national regulations is discussed in detail, and an approach for the computation of noise volumes, as well as an extension to the simulation, allowing interactive noise calculation, are presented. Novel visualization and interaction techniques for the calculated noise data, incorporated in an interactive three dimensional environment, enabling the easy comprehension of noise problems, are presented. Furthermore additional information can be integrated into the framework to enhance the visualization of noise and the usability of the framework for different usages.
Rapid growth in sensors and sensor technology introduces variety of products to the market. The increasing number of available sensor concepts and implementations demands more versatile sensor electronics and signal conditioning. Nowadays signal conditioning for the available spectrum of sensors is becoming more and more challenging. Moreover, developing a sensor signal conditioning ASIC is a function of cost, area, and robustness to maintain signal integrity. Field programmable analog approaches and the recent evolvable hardware approaches offer partial solution for advanced compensation as well as for rapid prototyping. The recent research field of evolutionary concepts focuses predominantly on digital and is at its advancement stage in analog domain. Thus, the main research goal is to combine the ever increasing industrial demand for sensor signal conditioning with evolutionary concepts and dynamically reconfigurable matched analog arrays implemented in main stream Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS) technologies to yield an intelligent and smart sensor system with acceptable fault tolerance and the so called self-x features, such as self-monitoring, self-repairing and self-trimming. For this aim, the work suggests and progresses towards a novel, time continuous and dynamically reconfigurable signal conditioning hardware platform suitable to support variety of sensors. The state-of-the-art has been investigated with regard to existing programmable/reconfigurable analog devices and the common industrial application scenario and circuits, in particular including resource and sizing analysis for proper motivation of design decisions. The pursued intermediate granular level approach called as Field Programmable Medium-granular mixed signal Array (FPMA) offers flexibility, trimming and rapid prototyping capabilities. The proposed approach targets at the investigation of industrial applicability of evolvable hardware concepts and to merge it with reconfigurable or programmable analog concepts, and industrial electronics standards and needs for next generation robust and flexible sensor systems. The devised programmable sensor signal conditioning test chips, namely FPMA1/FPMA2, designed in 0.35 µm (C35B4) Austriamicrosystems, can be used as a single instance, off the shelf chip at the PCB level for conditioning or in the loop with dedicated software to inherit the aspired self-x features. The use of such self–x sensor system carries the promise of improved flexibility, better accuracy and reduced vulnerability to manufacturing deviations and drift. An embedded system, namely PHYTEC miniMODUL-515C was used to program and characterize the mixed-signal test chips in various feedback arrangements to answer some of the questions raised by the research goals. Wide range of established analog circuits, ranging from single output to fully differential amplifiers, was investigated at different hierarchical levels to realize circuits like instrumentation amplifier and filters. A more extensive design issues based on low-power like for e.g., sub-threshold design were investigated and a novel soft sleep mode idea was proposed. The bandwidth limitations observed in the state of the art fine granular approaches were enhanced by the proposed intermediate granular approach. The so designed sensor signal conditioning instrumentation amplifier was then compared to the commercially available products in the market like LT 1167, INA 125 and AD 8250. In an adaptive prototype, evolutionary approaches, in particular based on particle swarm optimization with multi-objectives, were just deployed to all the test samples of FPMA1/FMPA2 (15 each) to exhibit self-x properties and to recover from manufacturing variations and drift. The variations observed in the performance of the test samples were compensated through reconfiguration for the desired specification.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnten wichtige Ergebnisse zur Charakterisierung des neuartigen Nukleotidtransporters AtNTT3 gewonnen werden. Die vorgeschlagenen Spleißvarianten des AtNTT3 wurden erfolgreich in Gesamtblüten-, Pollen- und Wurzelgewebe nachgewiesen. Zusätzlich konnte in diesen Geweben die stärkste AtNTT3-Promotoraktivität gezeigt werden. Die subzelluläre Expression der AtNTT3-Proteine wurde mit Hilfe von GFP-Fusionskonstrukten untersucht und untermauert eine außergewöhnliche Lokalisierung von zwei der drei untersuchten Proteinvarianten (AtNTT3-2 und AtNTT3-3) in der pflanzlichen Plasmamembran. Für AtNTT3-1 kann ein anderer Insertionsort, wie beispielsweise die Membranen des ER, nicht ausgeschlossen werden. Insgesamt ist AtNTT3 damit der erste pflanzliche Nukleotidtransporter der NTTFamilie, der nicht in den Plastiden lokalisiert ist. Die Hauptfunktion des AtNTT3 und seinen Spleißvarianten besteht in dem Transport von Nukleotiden. ATP, ADP und auch dATP konnten als favorisierte Importsubstrate identifiziert werden. Obwohl die heterolog exprimierten AtNTT3-Varianten im Vergleich mit strukturell ähnlichen Nukleotidtransportern eine geringe Transportaktivität zeigten, konnte ein spezifischer Transport der Substrate ATP und ADP verifiziert werden. Weiterhin wurde eine homozygote AtNTT3-KO-Linie identifiziert und damit eine Vielzahl von Versuchen zur physiologischen Rolle des AtNTT3 durchgeführt. Bisher konnten keine Hinweise auf einen veränderten Stoffwechsel der KO-Mutanten erhalten werden. Zusätzlich wurden AtNTT3-Überexpressionsmutanten hergestellt, um eine weiterführende detaillierte Analyse vorzubereiten. Wenngleich die physiologische Funktion des untersuchten Membranproteins im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig geklärt werden konnte, zeigen die Ergebnisse jedoch deutlich, dass es sich bei AtNTT3-2 und AtNTT3-3 um plasmamembranständige Nukleotidtransporter handelt. Aufgrund des vorliegenden Expressionsmusters, der subzellulären Lokalisierung und der transportierten Substrate liegt eine Beteiligung der Spleißvarianten am extrazellulären Nukleotidstoffwechsel nahe. Transportstudien indizieren für AtNTT3-1 das gleiche Substratspektrum, die Expression auf Zellebene muss aber nochmals überprüft werden, bevor hier eine konkrete Aussage möglich ist.
In this thesis, the coupling of the Stokes equations and the Biot poroelasticity equations for fluid flow normal to porous media is investigated. For that purpose, the transmission conditions across the interfaces between the fluid regions and the porous domain are derived. A proper algorithm is formulated and numerical examples are presented. First, the transmission conditions for the coupling of various physical phenomena are reviewed. For the coupling of free flow with porous media, it has to be distinguished whether the fluid flows tangentially or perpendicularly to the porous medium. This plays an essential role for the formulation of the transmission conditions. In the thesis, the transmission conditions for the coupling of the Stokes equations and the Biot poroelasticity equations for fluid flow normal to the porous medium in one and three dimensions are derived. With these conditions, the continuous fully coupled system of equations in one and three dimensions is formulated. In the one dimensional case the extreme cases, i.e. fluid-fluid interface and fluid impermeable solid interface, are considered. Two chapters of the thesis are devoted to the discretisation of the fully coupled Biot-Stokes system for matching and non-matching grids, respectively. Therefor, operators are introduced that map the internal and boundary variables to the respective domains via Stokes equations, Biot equations and the transmission conditions. The matrix representation of some of these operators is shown. For the non-matching case, a cell-centred grid in the fluid region and a staggered grid in the porous domain are used. Hence, the discretisation is more difficult, since an additional grid on the interface has to be introduced. Corresponding matching functions are needed to transfer the values properly from one domain to the other across the interface. In the end, the iterative solution procedure for the Biot-Stokes system on non-matching grids is presented. For this purpose, a short review of domain decomposition methods is given, which are often the methods of choice for such coupled problems. The iterative solution algorithm is presented, including details like stopping criteria, choice and computation of parameters, formulae for non-dimensionalisation, software and so on. Finally, numerical results for steady state examples, depth filtration and cake filtration examples are presented.
We present a new efficient and robust algorithm for topology optimization of 3D cast parts. Special constraints are fulfilled to make possible the incorporation of a simulation of the casting process into the optimization: In order to keep track of the exact position of the boundary and to provide a full finite element model of the structure in each iteration, we use a twofold approach for the structural update. A level set function technique for boundary representation is combined with a new tetrahedral mesh generator for geometries specified by implicit boundary descriptions. Boundary conditions are mapped automatically onto the updated mesh. For sensitivity analysis, we employ the concept of the topological gradient. Modification of the level set function is reduced to efficient summation of several level set functions, and the finite element mesh is adapted to the modified structure in each iteration of the optimization process. We show that the resulting meshes are of high quality. A domain decomposition technique is used to keep the computational costs of remeshing low. The capabilities of our algorithm are demonstrated by industrial-scale optimization examples.
Organische Moleküle lösen zunehmend anorganische Verbindungen wegen ihrer schnelleren bzw. kostengünstigeren Herstellung sowie der leichteren Modifikation ihrer Eigenschaften als Grundlage neuer hocheffizienter Materialien mit optischen und dielektrischen Anisotropien in der technischen Anwendung ab. Zusätzlich bieten Prozesse der supramolekularen Chemie zur Selbstorganisation niedermolekularer Bausteine nach dem Vorbild der Natur neue Möglichkeiten makroskopische Systeme mit maßgeschneiderter Funktionalität zu erzeugen. Diese supramolekularen Aggregate bilden sich auf Grund unspezifischer und spezifischer Wechselwirkungen ihrer Bausteine, die sich in Veränderungen der elektronischen Struktur sowie anderer molekularer Eigenschaften widerspiegelt. Mittels elektrooptischer Absorptionsmessung (EOAM) können die Dipolmomente des Grund- und Anregungszustandes von Verbindungen in Lösung bestimmt sowie die Anisotropie der (Hyper-)Polarisierbarkeit abgeschätzt werden. Die EOA-Spektroskopie stellte die Methode der Wahl dar, organische Moleküle bzw. ihre supramolekularen Aggregate für Materialien mit gewünschter Funktionalität zu identifizieren Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein vollautomatisiertes Spektrometer zur Bestimmung der Elektrochromie von Molekülen in Lösung erfolgreich konstruiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Die computergestützte Automatisierung der Apparatur ermöglichte die schnellere und bessere Charakterisierung einer Vielzahl unterschiedlichster Verbindungen. Durch die höhere spektrale Auflösung konnten überlagerte Absorptionsbanden einer bzw. verschiedener Spezies in Lösung durch neu entwickelte bzw. verfeinerte Analyseverfahren identifiziert und erstmal quantitativ ausgewertet werden. Hierdurch konnte erfolgreich demonstriert werden, dass die EOA-Spektroskopie zahlreiche Beiträge zur Analyse vielfältiger Fragestellungen liefern kann, die mittels anderer Techniken unter den experimentellen Bedingungen nicht zugänglich sind. Neben der Charakterisierung zahlreicher Verbindungen für die Anwendung in organischen Solarzellen, bei der Frequenzverdopplung und für die holographische Speicherung lag der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten im Nachweis und der Untersuchung der Interaktion von organischen Molekülen durch spezifische und unspezifische Wechselwirkungen. Dabei konnten Veränderungen der Konformation bei Rezeptoren durch die Komplexierung eines Gast-Moleküles nachgewiesen werden. Darüber hinaus gelang es erstmals mit Hilfe der EOA-Spektroskopie, Strukturparameter von Komplexen in flüssiger Lösung zu erhalten. Durch konkurrierende Wechselwirkung der Orientierung dipolarer Merocyanine konnten Komplexe mit sehr kleinen und den derzeit größten bekannten Dipolmomenten erzeugt werden. Die Variation der Feldstärken interner und externer elektrischer Felder bzw. die Konzepte der supramolekularen Chemie bieten in Zukunft neben den bestehenden Verfahren zur Modifikation organischer Moleküle neue Möglichkeiten, effiziente und funktionelle Materialien zu erzeugen.
Untersuchungen zu Spincrossover und Valenztautomerie an an Eisen(II)- bzw. Kobalt(II)-Komplexen
(2008)
Mit den Komplexen [Fe(L-N4H2)(NCS)2]∙MeOH (1) und [Fe(L-N2S2)(NCS)2]∙0,5 DMF (2) konnten zwei neue Spincrossover-Verbindungen synthetisiert werden, die Thiocyanat-Anionen als Liganden beinhalten. Die magnetischen Untersuchungen für Komplex 1 wurden aufgrund der verwitterungsanfälligen Kristalle mit einer lösungsmittelfreien Probe ([Fe(L-N4H2)(NCS)2]) durchgeführt. Sowohl die SQUID-Magnetometrie als auch die Mößbauer-Spektroskopie zeigen hierbei einen unvollständigen Spinübergang, bei dem bei tiefen Temperaturen ein high-spin Restanteil von 30 % verbleibt. Die Übergangstemperatur beträgt T1/2 = 141 K, für Komplex 2 wird ein Wert von T1/2 = 232 K gefunden. Der Komplex [Fe(L-N4tBu2)(CN)2]•MeCN (3) ist das erste Beispiel einer eisen(II)-haltigen low-spin Verbindung, die den makrozyklischen Pyridinophanliganden L-N4tBu2 enthält. Durch die Verwendung von Coliganden mit geringerer Ligandenfeldstärke (verglichen zum Cyanid-Anion) gelang es in der vorliegenden Arbeit erstmals, Spincrossover-Komplexe mit dem Liganden L-N4tBu2 zu synthetisieren. Dabei handelt es sich um die Eisen(II)-Komplexe [Fe(L-N4tBu2)(bipy)](BPh4)2•MeCN•Et2O (4), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•Et2O (5a), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•MeCN (5b), [Fe(L-N4tBu2)(dppz)](BPh4)2 (6) sowie [Fe(L-N4tBu2)(bpym)](BPh4)2•MeCN (7), bei denen aromatische Diimine als Coliganden eingesetzt wurden. Die Röntgenstrukturanalysen zeigen mehr oder weniger ausgeprägte Bindungslängenunterschiede, die jeweils auf einen Spincrossover schließen lassen. Die magnetischen Untersuchungen zeigen für die Komplexe 4 (T1/2 = 177 K), 5a (T1/2 = 179 K), 5b (T1/2 ≈ 347 K), 6 (T1/2 = 275 K) und 7 (T1/2 ≈ 335 K) Spinübergänge mit unterschiedlichen Verläufen und Übergangstemperaturen. Besonders hervorzuheben sind dabei die analogen Komplexe 5a und 5b, die sich zwar lediglich durch das im Kristallgitter eingebaute Lösungsmittelmolekül unterscheiden, jedoch völlig verschiedene magnetische Eigenschaften und Spinübergangsarten aufweisen. Neben den einkernigen low-spin Komplexen [Fe(L-N4Me2)(bpym)](ClO4)2 (8) und [Fe(L-N4Me2)(BiBzIm)]∙4 MeOH (9) konnten erstmals mit dem Pyridinophanliganden L-N4Me2 zweikernige Spincrossover-Komplexe hergestellt werden. Der zweikernige Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(BiBzIm)](ClO4)2∙2 EtCN (10) zeigt bei T = 175 K einen abrupten high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang. Nur eines der beiden Eisen(II)-Ionen geht beim Abkühlen vom high-spin in den low-spin Zustand über. In der Kristallstruktur können bei tiefen Temperaturen die beiden unterschiedlichen Eisen(II)-Zentren genau lokalisiert werden. Ein solcher high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang wird auch für [{Fe(L-N4Me2)}2(BzImCOO)](ClO4)2∙0.5 (CH3)2CO (11) beobachtet. Die Übergangstemperatur beträgt hier T = 210 K. Das high-spin und das low-spin Eisen(II)-Ion können in dieser Kristallstruktur bei tiefer Temperatur ebenfalls genau identifiziert werden. Bei dem Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(pndc)](ClO4)2∙H2O (12) handelt es sich ebenfalls um einen zweikernigen Spincrossover-Komplex, der einen vollständigen Spinübergang aufweist (T1/2 ≈ 260 K). Die Untersuchungen zur Valenztautomerie wurden an Kobalt-Komplexen mit dem redoxaktiven Liganden 3,5-Di-tert-butylcatecholat und den makrozyklischen Pyridinophan-liganden L-N4Me2 und L-N4tBu2 durchgeführt. Die Röntgenstrukturanalyse weist Verbindung [Co(L-N4Me2)(dbc)](BPh4) (13) als diamagnetische low-spin Kobalt(III)-Catecholat-Spezies aus. Die C-C-Bindungen und die C-O-Abstände belegen, dass der Dioxolenligand in der Catecholat-Form vorliegt. Außerdem sind die Co-N- und die Co-O-Bindungslängen sehr kurz, was auf das low-spin Kobalt(III)-Ion zurückzuführen ist. Bei Komplex [Co(L-N4tBu2)(dbsq)](B(C6H4Cl)4) (14) handelt es sich hingegen um eine paramagnetische Kobalt(II)-Semichinonat-Verbindung. In der Kristallstruktur ist im kompletten Temperaturbereich das typische Bindungsschema eines Semichinonatliganden zu erkennen. Dagegen unterscheiden sich die Co-N- und die Co-O-Abstände bei den verschiedenen Messtemperaturen deutlich voneinander. Während die kürzeren Bindungs-längen bei T = 100 K eindeutig auf ein low-spin Kobalt(II)-Ion schließen lassen, legen die bei T = 400 K deutlich elongierten Bindungslängen einen beginnenden Spinübergang in den high-spin Zustand nahe. Dieser Befund wird durch die SQUID-Messung unterstützt, bei der im Temperaturintervall von 50 K bis 200 K konstante Werte für χMT bzw. für µeff gefunden werden, während die Werte für T > 200 K deutlich ansteigen und somit auf einen Spincrossover hinweisen.
Die fluoridkatalysierte Phosphor-Aryl-Kupplung – Ein neuer Zugang zu funktionalisierten Phosphanen
(2008)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Zugang zu Arylphosphanen entwickelt, über den eine Reihe neuartiger Ligandstrukturen möglich werden. Die neu gefundene fluoridkatalysierte Kupplung von Silylphosphanen und elektronenarmen Arylfluoriden stellt eine milde Alternative zur Phosphor-Aryl-Kupplung in superbasischen Medien dar. Damit ist es möglich auch Arylfluoride zu kuppeln, deren Substitutionsmuster keine stark basischen Bedingungen zuläßt. Durch Optimierung der Reaktionsbedingungen konnte sowohl die Menge des Katalysators als auch des Lösungsmittels minimiert werden, was die Kosten der Synthese stark reduziert und die Aufarbeitung der Reaktionsansätze vereinfacht. Im Gegensatz zur Kupplung im superbasischen Medium erfolgt bei dem neuen Verfahren keine Salzbildung sondern es entsteht flüchtiges Fluortrimethylsilan als Nebenprodukt, das aus dem Reaktionsgemisch entweicht. Alternativ zu verschiedenen Fluoridionenquellen können auch NaOH und NaOMe als Lewis-Basen in katalytischen Mengen verwendet werden. Versuche mit CsF ergaben, dass die Reaktivität des Katalysators stark von der Größe und Morphologie der Salzpartikel abhängt.
Nanotechnology is now recognized as one of the most promising areas for technological
development in the 21st century. In materials research, the development of
polymer nanocomposites is rapidly emerging as a multidisciplinary research activity
whose results could widen the applications of polymers to the benefit of many different
industries. Nanocomposites are a new class of composites that are particle-filled
polymers for which at least one dimension of the dispersed particle is in the nanometer
range. In the related area polymer/clay nanocomposites have attracted considerable
interest because they often exhibit remarkable property improvements when
compared to virgin polymer or conventional micro- and macro- composites.
The present work addresses the toughening and reinforcement of thermoplastics via
a novel method which allows us to achieve micro- and nanocomposites. In this work
two matrices are used: amorphous polystyrene (PS) and semi-crystalline polyoxymethylene
(POM). Polyurethane (PU) was selected as the toughening agent for POM
and used in its latex form. It is noteworthy that the mean size of rubber latices is
closely matched with that of conventional toughening agents, impact modifiers.
Boehmite alumina and sodium fluorohectorite (FH) were used as reinforcements.
One of the criteria for selecting these fillers was that they are water swellable/
dispersible and thus their nanoscale dispersion can be achieved also in aqueous
polymer latex. A systematic study was performed on how to adapt discontinuousand
continuous manufacturing techniques for the related nanocomposites.
The dispersion of nanofillers was characterized by transmission, scanning electron
and atomic force microcopy (TEM, SEM and AFM respectively), X-ray diffraction
(XRD) techniques, and discussed. The crystallization of POM was studied by means
of differential scanning calorimetry and polarized light optical microscopy (DSC and
PLM, respectively). The mechanical and thermomechanical properties of the composites
were determined in uniaxial tensile, dynamic-mechanical thermal analysis
(DMTA), short-time creep tests, and thermogravimetric analysis (TGA).
PS composites were produced first by a discontinuous manufacturing technique,
whereby FH or alumina was incorporated in the PS matrix by melt blending with and
without latex precompounding of PS latex with the nanofiller. It was found that direct melt mixing (DM) of the nanofillers with PS resulted in micro-, whereas the latex mediated
pre-compounding (masterbatch technique, MB) in nanocomposites. FH was
not intercalated by PS when prepared by DM. On the other hand, FH was well dispersed
(mostly intercalated) in PS via the PS latex-mediated predispersion of FH following
the MB route. The nanocomposites produced by MB outperformed the DM
compounded microcomposites in respect to properties like stiffness, strength and
ductility based on dynamic-mechanical and static tensile tests. It was found that the
resistance to creep (summarized in master curves) of the nanocomposites were improved
compared to those of the microcomposites. Master curves (creep compliance
vs. time), constructed based on isothermal creep tests performed at different temperatures,
showed that the nanofiller reinforcement affects mostly the initial creep
compliance.
Next, ternary composites composed of POM, PU and boehmite alumina were produced
by melt blending with and without latex precompounding. Latex precompounding
served for the predispersion of the alumina particles. The related MB was produced
by mixing the PU latex with water dispersible boehmite alumina. The composites
produced by the MB technique outperformed the DM compounded composites in
respect to most of the thermal and mechanical characteristics.
Toughened and/or reinforced PS- and POM-based composites have been successfully
produced by a continuous extrusion technique, too. This technique resulted in
good dispersion of both nanofillers (boehmite) and impact modifier (PU). Compared
to the microcomposites obtained by conventional DM, the nanofiller dispersion became
finer and uniform when using the water-mediated predispersion. The resulting
structure markedly affected the mechanical properties (stiffness and creep resistance)
of the corresponding composites. The impact resistance of POM was highly
enhanced by the addition of PU rubber when manufactured by the continuous extrusion
manufacturing technique. This was traced to the dispersed PU particle size being
in the range required from conventional, impact modifiers.
Die Herstellung duroplastischer Werkstoffe verlangt nicht nur eine präzise Kenntnis
des Materialverhaltens in Abhängigkeit der Prozessführung, sondern auch den
Einsatz geeigneter Analysemethoden zur Charakterisierung und Beurteilung des
Werkstoffes. Eine wesentliche Herausforderung bei der Vernetzung von Polymeren
stellen innere Spannungen dar, die durch chemischen Reaktionsschwund und
thermische Ausdehnung verursacht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Vernetzungsvorgang und die daraus resultierenden
Eigenschaften eines Epoxidharzes mit bestehenden materialwissenschaftlichen
Analyseverfahren zu charakterisieren und durch die Implementierung einer
neuartigen Dehnungsmesstechnik einen idealen thermischen Vernetzungsprozess
für einen spannungsminimierten Zustand zu definieren.
Den Untersuchungen liegt ein kommerzielles Epoxidharz (EP-Harz) auf der Basis
von anhydridgehärtetem Bisphenol A zugrunde. Es wurden sowohl das reine, d.h.
das ungefüllte Polymer, als auch ein mit Calciumsilikat und -carbonat gefülltes
System analysiert. Eine Materialcharakterisierung mit kalorimetrischen und
rheologischen Verfahren in Verbindung mit der Anpassung an reaktionskinetische
und chemorheologische Modelle liefert eine quantitative Beschreibung des
Vernetzungsvorganges sowohl des ungefüllten als auch des gefüllten EP-Harzes.
Die während der Vernetzung auftretenden Kräfte der beiden Harzsysteme wurden
mit Normalkraftmessungen erfasst und mathematisch erfolgreich modelliert. Das
Erweichungsverhalten sowie die (bruch)mechanischen Werte der Werkstoffe wurden
mit statischen und dynamischen mechanischen Analysen im unterschiedlich stark
vernetzten, festen Zustand geprüft. Maximale mechanische Eigenschaften werden
erst bei vollständiger Umsetzung erreicht.
Ein neuartiges Verfahren basierend auf einer faseroptischen Messsensorik wurde für
das gefüllte EP-Harz entwickelt und ermöglicht die Bestimmung reaktionsinduzierter
Dehnungen im vernetzenden Polymer. Fibre Bragg Grating (FBG)-Sensoren, die
direkt im Reaktionsharz eingebettet wurden, ermöglichen die Bestimmung von
charakteristischen Phasenübergängen während der chemischen Vernetzung, d.h.
Gelierung und Verglasung, ebenso wie die Erfassung des Ausdehnungsverhaltens
unter Temperatureinfluss. Die Ergebnisse zeigen exzellente Übereinstimmungen zu
den Daten aus etablierten Messverfahren wie Kalorimetrie, Rheologie, Volumendilatometrie
und thermisch-mechanischer Analyse. In umfangreichen Serien wurde
mithilfe der FBG-Technik der Einfluss verschiedener Phasen des thermischen Vernetzungsprozesses auf die reaktionsinduzierte Dehnungsentwicklung des EPHarzes
ermittelt.
Die erzielten Ergebnisse in Kombination mit ergänzenden Untersuchungen zum
Erweichungsverhalten sowie zur Eigenerwärmung durch exotherme Reaktion
erlauben die Definition eines idealisierten thermischen Prozesses mit dem Ziel einer
Minimierung innerer Spannungen im vernetzenden Werkstoff. Das ideal
spannungsoptimierte Härteprofil wird dadurch erzielt, dass bei zunächst moderater
Temperatur die Vernetzung in Gang gesetzt wird. Die anschließende Aufheizphase
auf Härtetemperatur startet noch im flüssigen Zustand und wird unter
Berücksichtigung von Exothermieeffekten so zügig durchgeführt, dass die Gelierung
des Materials bei möglichst hoher Temperatur stattfindet, idealerweise beim
maximalen Glasübergangspunkt Tg,∞. Erst nach einer vollständigen Vernetzung bei
entsprechend hoher Härtetemperatur tritt die Materialverglasung bei Unterschreitung
des Tg,∞ ein. Durch die gezielte Temperaturführung wird erreicht, dass die thermische
Ausdehnung gegenüber der chemischen Volumenreduktion dominiert und das
Auftreten von Zugkräften im vernetzenden Polymer unterbunden wird. Eine
frühzeitige Gelierung und besonders eine vorzeitige Verglasung während des
Vernetzungsprozesses hingegen verursachen bereits in einem niedrigen
Umsatzstadium Zugkräfte und Spannungen im Material, die sich in einem frühen
Materialversagen etwa in Form von Rissen äußern.
Die vorliegende Arbeit präsentiert durch die Implementierung des FBG-Verfahrens
nicht nur ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Polymerentwicklung, sondern bietet
auch durch die überzeugenden faseroptischen Messergebnisse in Kombination mit
gängigen Analyseverfahren eine höchst effektive Strategie zur Erreichung eines
idealen Härteprozesses zur spannungsarmen Vernetzung von Epoxidharzen.