3D Druck Stimuli-responsiver Strukturfarben basierend auf polymeren Kern-Schale-Partikeln

Abstract

Kern-Schale-Partikel (CSP) sind vielversprechende Bausteine zur Herstellung von bioinspirierten Strukturfarben. Im Gegensatz zu Farbstoffen und Pigmenten sind diese Farben nachhaltiger und langlebiger. Obwohl Strukturfarben in der Natur weit verbreitet sind, gibt es kaum Verfahren zu deren großtechnischer Produktion. In dieser Arbeit werden CSP zum 3D Druck von Materialien mit schaltbaren Strukturfarben eingesetzt. Durch Emulsionspolymerisation werden Partikel mit maßgeschneiderten Architekturen synthetisiert. Diese bestehen aus harten Polystyrol-Kernen, umgeben von formbaren Schalen aus verschiedenen Homo- und Copolymeren. Verarbeitungs- und anwendungsrelevante Eigenschaften werden durch gezielte Additivierung optimiert. Während der Verarbeitung bilden interpartikuläre Schalenpolymere eine kontinuierliche Matrix, worin sich die formstabilen Kerne selbst anordnen. Die so gebildete Ordnung führt zu irisierenden Reflexionsfarben, welche über das gesamte sichtbare Spektrum einstellbar sind. Darüber hinaus kann die Strukturfarbe auf externe Stimuli reagieren, wie mechanische Verformungen oder Änderungen des pH-Wertes. Die mikroskopische Strukturbildung wird mit einer Vielzahl von Verarbeitungstechniken zur makroskopischen Formgebung kombiniert, u.a. Direct Ink Writing (DIW) und Fused Filament Fabrication (FFF). Beide 3D Druckverfahren ermöglichen die Herstellung geometrisch komplexer Objekte mit einem breiten Anwendungsspektrum, etwa als Sicherheitsmerkmale oder Sensoren.

Core-Shell-Particles (CSP) are promising candidates for bioinspired structural color materials. In contrast to conventional dyes and pigments, these colors are more sustainable and durable. While abundantly found in nature, as of today the large-scale production of structural colors is rare. In this work, strategies are developed to use CSP for the 3D printing of stimuli-responsive structural color materials. Emulsion polymerization is utilized to achieve tailored particle architectures. The particles consist of non-deformable polystyrene cores, surrounded by malleable shells based on various homo- and copolymers. Through the targeted incorporation of additives, properties relevant to processing and application are optimized. During processing, interparticular shell polymers form a continuous matrix, wherein the pristine cores self-assemble. The ordered structure thus formed gives rise to iridescent reflection colors, which are tunable over the whole visible spectrum. In addition, the structural color can respond to external triggers such as mechanical deformation or changes in pH. Microscopic structure formation is combined with a plethora of processing techniques to implement a macroscopic shape, including Direct Ink Writing (DIW) and Fused Filament Fabrication (FFF). Both 3D printing techniques enable the fabrication of geometrically complex objects with a wide range of potential applications, including anti-counterfeiting materials and smart sensors.