Thermochrome Kunststoffe

Farbumschlag nach Wunsch − Thermochrome Polymere

Schwerpunkt unserer Materialentwicklung ist die Überführung von thermochromen Effekten in Polymermatrices − Thermoplaste, Duromere, Elastomere, Lacke und Coatings − ohne deren sonstige Eigenschaften signifikant zu verändern. Die dafür zu entwickelnden thermochromen Additive müssen nicht nur in der Polymermatrix stabil sein, sondern auch deren Verarbeitungs- bzw. Herstellungsprozess unbeschadet überstehen. Bei Thermoplasten ist dies die Verarbeitung mittels Extrusionsverfahren, bei Duromeren und Elastomeren der Vernetzungsprozess und bei Lacken und Coatings das Aushärtungsverfahren. All diese Matrices stellen somit unterschiedliche Anforderungen an die chemische, mechanische und thermische Stabilität der thermochromen Additive.

Materialinnovationen im Fraunhofer IAP

 

Schwerpunkt unserer Materialentwicklung ist die Überführung von thermochromen Effekten in Polymermatrices - Thermoplaste, Duromere, Elastomere, Lacke und Coatings -, ohne deren sonstige Eigenschaften signifikant zu verändern. Die dafür zu entwickelnden thermochromen Additive müssen nicht nur in der Polymermatrix stabil sein, sondern auch deren Verarbeitungs- bzw. Herstellungsprozess unbeschadet überstehen. Bei Thermoplasten ist dies die Verarbeitung mittels Extrusionsverfahren, bei Duromeren und Elastomeren der Vernetzungsprozess und bei Lacken und Coatings das Aushärtungsverfahren. All diese Matrices stellen somit unterschiedliche Anforderungen an die chemische, mechanische und thermische Stabilität der thermochromen Additive.

Thermochrome Folien und Spritzgussteile

 

Thermoplastische Kunststoffe sind unvernetzte Polymere. Ihr wesentliches Merkmal ist, das sie formbar sind. Zu dieser Klasse von Kunststoffen gehören vor allem Polyolefine, Polyester, Polyamide, Polyacrylate und Polyvinylchlorid. Die meisten thermoplastischen Kunststoffe lassen sich zersetzungsfrei schmelzen und können daher mittels Extrudertechnologie unter anderem zu Folien und Spritzgussteilen verarbeitet werden. Bei der Verarbeitung treten neben der thermischen vor allem hohe mechanische Belastung der Rohstoffe auf. Von uns entwickelte thermochrome Pigmente können dem Polymerrohstoff vor der Extrusion zugesetzt werden und erlauben so erstmals eine technologiekompatible Herstellung von thermochromen Polymerfolien und Spritzgussteilen, in denen der thermochrome Farbstoff über das gesamte Polymervolumen homogen verteilt ist. Schalttemperaturen im Bereich von 0°C-70°C und eine Palette verschiedenster Farbschaltungen lassen sich zur Zeit realisieren, wobei die Farbschaltung sowohl reversibel als auch irreversibel erfolgen kann.

 

Das Aufdampfen von transparenten Elektroden auf das thermochrome Polymermaterial im Hochvakuum bei 10-7 Torr ermöglicht eine hybride aktive-passive Farbschaltung. Die Elektrodenpräparation kann sowohl im thermischen Verfahren als auch im Elektronenstrahl erfolgen.

© Foto Fraunhofer IAP

Kleintechnikum

© Foto Fraunhofer IAP

Farbänderung thermochromer Materialien unter Einfluss von Wärme.

Thermochrome Hydrogele

 

Reversible Farbschaltungen bei gleichzeitig hoher Transparenz können in Hydrogelen durch Zusatz von geeigneten pH-sensitiven Indikatorfarbstoffen in Kombination mit Tensiden realisiert werden. Das thermochrome Verhalten basiert dabei auf der Wechselwirkung der Farbstoffmoleküle mit der Mikroumgebung des Hydrogels. Neben der Schaltung zwischen zwei Farben lassen sich auch Mehrfachfarbwechsel und farblos-farbig-Schaltungen erzeugen.



Farb- und Transparenzänderungen (Thermotropie) sind in Hydrogelen mit voneinander unabhängigen Schalttemperaturen kombinierbar. Unsere jahrelange Erfahrung auf diesem Gebiet ermöglicht es, Hydrogele mit maßgeschneiderten thermochromen und/oder thermotropen Eigenschaften herzustellen. Von ihren optischen Eigenschaften her eignen sich diese Materialien wie kein anderes, für den Einsatz in hybriden licht- und wärmeregulierenden Sonnenschutzverglasungen. Entsprechende Demonstrationsfenster mit einer Größe von bis zu 1m2 werden derzeit unter Praxisbedingungen getestet.

Thermochrome Folien
© Foto Fraunhofer IAP

Thermochrome Folien

Thermochrome Duroplaste

 

Duroplastische Kunststoffe sind quervernetzte Polymere. Im Gegensatz zu den Thermoplasten sind sie weder schmelzbar noch formbar. Die Formung der Duroplaste erfolgt daher bereits während Ihrer Herstellung. Um thermochrome Duroplaste zu erhalten, muss das thermochrome Pigment folgerichtig bereits während der Herstellung des Duroplastes zugesetzt werden. Dies stellt hohe Ansprüche an die chemische Stabilität der eingesetzten Pigmente, da es sich bei den Grundstoffen zur Duroplastherstellung zumeist um hochreaktive Komponenten handelt. Die für diese Anwendung speziell entwickelten thermochromen Pigmente ermöglichen derzeit die Realisierung von ein- und mehrstufigen Farbschaltungen im Temperaturbereich zwischen 0 und 100°C.

© Foto Fraunhofer IAP

Formglasscheibe türkis

© Foto Fraunhofer IAP

Formglasscheibe türkis

© Foto Fraunhofer IAP

Formglasscheibe Magenta

Thermochrome Pigmente

 

Für verschiedenste Anwendungen entwickeln wir thermochrome Pigmente. Mit Hilfe der Primärfarben sowie Schwarz und Weiß kann die vom Kunden gewünschte Farbe präzise erzeugt werden.

© Foto Fraunhofer IAP

Pigmentpulver

© Foto Fraunhofer IAP

Pigmentpulver

© Foto Fraunhofer IAP

Pigmentpulver

Klassifizierung thermochromer Polymere

Typen thermochromer Polymere, klassifiziert nach dem Lichteffekt, der das thermochrome Verhalten bewirkt

Lichteffekt
Ursprung
makroskopisches Verhalten Polymerklasse
Reflektion periodische Strukturen ΔI, Δλmax
  • cholesterische flüssigkristalline Polymere
  • kristalline kolloidale Gitter eingebettet in einem Gelnetzwerk
  • Gele
Absorption chromophore Gruppen ΔI, Δλmax
  • konjugierte Polymere
  • indikatorfarbstoff enthaltende Hydrogele
Streuung Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindices ΔT %
  • Polymermischungen mit LCST
  • Hydrogele mit LCST
  • lyotrope flüssigkristalline Hydrogele

LCST: lower critical solution temperature