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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Bioinspirierte feuchtegesteuerte Aktuatoren auf Cellulosebasis

Mittwoch (18.09.2019)
12:00 - 12:30 Uhr Florenz

Aktuell werden die Möglichkeiten und das Verhalten von selbsttransformierenden Materialien, insbesondere im Bereich der Formgedächtnislegierungen, umfassend untersucht. Es gibt aber auch bioinspirierte Ansätze zur Entwicklung intelligenter, autonom beweglicher Biomaterialien. Der Ursprung der Bewegung liegt meist in der Reaktion auf äußere Reize oder Umweltveränderungen wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Licht.


Im vorliegenden Beitrag wird der Weg vom natürlichen Vorbild, dem Kiefernzapfen, zu einem regelbaren, autonomen, feuchtegetriebenen Aktuationssystem aufgezeigt. Die Basis des Systems bildet der Werkstoff Cottonid (Vulkanfiber), das aus pergamentierten Cellulosefasern besteht. Dieser biobasierte Schichtpresswerkstoff wurde 1846 erstmals erwähnt und ist seit den 1930ider Jahren zunehmend in Vergessenheit geraten. Durch den Pergamentierungsprozess wird die Struktur und die Oberfläche der einzelnen Fasern modifiziert und dadurch die Hygroskopizität gesteigert. Im Anschluss wird das Cottonid als aktive Schicht in einem Zweilagen- (bilayer) Aktuator verwendet. Setzt man diesen bilayer nun verschiedenen Luftfeuchten aus quillt die aktive Schicht mehr als die passive, aufgrund der unterschiedlichen Feuchteausdehnungskoeffizienten der beiden Schichten. Die Größe des Koeffizienten kann durch die Variation verschiedener Parameter während der Pergamentierung eingestellt werden. Zum besseren Verständnis der Prozess-Struktur- Eigenschafts-Beziehung wird das Material mittels Infrarotspektroskopie, thermogravimetrische Analyse und Röntgenbeugung charakterisiert. Durch Rasterelektronenmikroskopie wird die Veränderung der Faseroberflächen sowie des gesamten Faserverbundes analysiert. Die Quellungseigenschaften werden mittels Videoanalyse ermittelt.


Ziel der Arbeit ist es einen strukturoptimierten Biopolymerverbundwerkstoff mit einstellbaren feuchtebezogenen Aktuationseigenschaften zu entwickeln. Zudem führen die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Biomechanik solcher Systeme. Auf dieser Basis sollen zukünftig maßgeschneiderte, biobasierte Funktionsmaterialien entstehen, bei denen Anisotropie und Hygroskopizität durch den Herstellungsprozess eingestellt werden können.

 

Sprecher/Referent:
Matthias Langhansl
Technische Universität München (TUM)
Weitere Autoren/Referenten:
  • Ronja Scholz
    TU Dortmund
  • Prof. Dr. Frank Walther
    TU Dortmund
  • Prof. Dr. Cordt Zollfrank
    TU München