Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8462
Main Title: Photoinduced thiol-ene click chemistry assisted additive manufacturing and freeze casting of polymer-derived ceramics
Translated Title: Additive Fertigung und Gefriergießen von polymerabgeleiteten Keramiken unterstützt durch photoinduzierte Thiol-En-Klickchemie
Author(s): Wang, Xifan
Advisor(s): Gurlo, Aleksander
Referee(s): Gurlo, Aleksander
Colombo, Paolo
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Polymer-derived ceramics possess great advantages in the view of cellular ceramic processing compared to traditional powder-based technologies, as the polymeric nature of ceramic precursors allows the utilization of various shaping approaches. Amongst them, Additive Manufacturing and Freeze Casting are two novel shaping methods, which are capable of producing three-dimensional complex architectures and foams with well-controlled pore morphology, respectively. In this thesis, photoinduced thiol-ene polymerization of vinyl containing preceramic polymers with thiol monomers is systematically investigated, both from the energetic view and from the kinetic view. Subsequently, a novel stereolithographic approach is developed and applied to the additive manufacturing of complex-shaped polymer-derived ceramics. In addition, photopolymerization-assisted freeze casting is successfully developed to freeze cast liquid preceramic polymer and yields porous ceramics with well-controlled pore morphology. By utilizing the photoinduced thiol-ene polymerization, the developed stereolithographic approach is applied for the additive manufacturing of three classes of preceramic polymers, including polycarbosiloxane SPR212, polycarbosilane SMM10 and polycarbosilazane Durazane 1800. In the subsequent polymer-to-ceramic transformation, the additively-manufactured cellular polysiloxane and polysilazane successfully convert to SiOC and SiCN ceramics without major cracks, while the polycarbosilane SMP10 exploded into small pieces under the same pyrolyzing conditions due to high levels of hydrogenated groups in precursors. The additively-manufactured polysiloxane-derived SiOC components are nearly fully dense, achieving 97 % of the theoretical density and demonstrating excellent compressive strength, surpassing the performance of comparable porous ceramics and stretching the boundaries of material property space in terms of strength-to-weight ratio under compression. The freeze casting technique assisted with cryo thiol-ene photopolymerization is developed successfully for the production of macroporous PDCs, demonstrating that the free radical-initiated thiol-ene click reaction effectively cross-linked the vinyl-containing liquid preceramic polymers into infusible thermosets even at low temperatures. The key factor of this approach relies on the complete photopolymerization of whole frozen samples. Therefore, a freezing liquid, preceramic polymers and fillers (e.g., SiO2) with weak absorption for UV light is preferred to allow high penetration depth, thus leading to the production of filled, solid samples. By utilizing GO suspension as the freezing liquid and applying the same procedure, unique ceramic shells of open cylindrical (tubular) shape with an axial hole were obtained. The post-pyrolysis HF acid treatments of produced SiOC monoliths yields hierarchical porosities, with SiOC/SiO2 nanocomposites after etching demonstrating the highest specific surface area of 494 m2/g and pore sizes across the macro-, meso- and micropores ranges.
Polymerabgeleitete Keramiken besitzen große Vorteile im Hinblick auf den Verarbeitungsprozess von zellularen Keramiken im Vergleich zu traditionellen pulverbasierten Technologien, da der polymere Ursprung der Ausgangsstoffe für die Keramik die Nutzung verschiedener Formgebungsmethoden ermöglicht. Additive Fertigung und Gefriergießen sind zwei neuartige Formgebungsverfahren, die jeweils in der Lage sind, komplexe dreidimensionale Geometrien sowie Schäume mit einer kontrollierten Porenmorphologie zu produzieren. In dieser Arbeit wird die photoinduzierte Thiol-En-Polymerisation von prekeramischen Polymeren, die Vinyl und Thiol-Monomere enthalten, systematisch und sowohl aus energetischer als auch aus kinetischer Hinsicht untersucht. Im Folgenden wird ein neuartiger stereolithografischer Ansatz entwickelt und auf die additive Fertigung von polymerabgeleiteten Keramiken komplexer Gestalt angewendet. Zusätzlich wird photopolymerisierungsunterstütztes Gefriergießen erfolgreich entwickelt, um flüssige prekeramische Polymere gefrierzugießen und poröse Keramiken mit einer definierten Porenmorphologie zu erzeugen. Mit der Nutzung von Thiol-En-Photopolymerisation wird der entwickelte stereolithografische Ansatz auf die additive Fertigung von drei Klassen prekeramischer Polymere angewendet, darunter Polycarbosiloxan SPR212, Polycarbosilan SMM10 und Polycarbosilazan Durazane 1800. In der folgenden Polymer-Keramik-Umwandlung wird das additive gefertigte zellulare Polysiloxan sowie das Polysilazan erfolgreich in SiOC- und SiCN-Keramiken ohne große Risse umgewandelt, während das Polycarbosilan SMP10 aufgrund des hohen Grades an hydrierten Gruppen unter den gleichen Pyrolysebedingungen in kleine Stücke zersprang. Die additive gefertigten polysiloxan-abgeleiteten SiOC-Teile sind fast komplett dicht und erreichen 97 % der theoretischen Dichte. Sie weisen eine exzellente Druckfestigkeit auf, übertreffen die Leistung vergleichbarer poröser Keramiken und erweitern die Grenzen der Materialeigenschaften in Hinblick auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht unter Druckbelastung. Die durch kryogene Thiol-En-Photopolymerisation unterstützte Gefriergusstechnik wird erfolgreich entwickelt, um makroporöse PDCs zu produzieren. Dadurch wird gezeigt, dass auch bei niedrigen Temperaturen die Vinyl enthaltenden prekeramischen Polymere während der durch freie Radikale initiierten Thiol-En-Klickreaktion zu unschmelzbaren Duromeren vernetzt werden. Der wesentliche Bestandteil dieses Ansatzes liegt in der vollständigen Photopolymerisation der gesamten gefrorenen Proben. Daher werden eine Gefrierflüssigkeit, prekeramische Polymere und Füllstoffe (z. B. SiO2) mit schwacher UV-Absorbtion bevorzugt, um eine hohe Eindringtiefe zu erlauben, sodas ausgefüllte, feste Proben entstehen. Mit der Nutzung von GO-Suspension als Gefrierflüssigkeit werden im gleichen Verfahren einzelne keramische Schalen mit hohlzylindrischer (rohrförmiger) Gestalt und axialem Loch erzeugt. Durch eine an die Pyrolyse anschließende Behandlung der produzierten SiOC-Monolithen mit HF-Säure ergeben sich hierarchische Porositäten. SiOC/SiO2-Nanokomposite zeigen nach dem Ätzen die höchste spezifische Oberfläche mit 494 m2/g und Porengrößen im Bereich von Makro-, Meso- und Mikroporen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9406
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8462
Exam Date: 26-Feb-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 30-Sep-2019
DDC Class: 666 Keramiktechnologie und zugeordnete Technologien
542 Techniken, Ausstattung, Materialien
Subject(s): additive manufacturing
polymer-derived ceramics
freeze casting
thiol-ene click chemistry
stereolithography
additive Fertigung
polymerabgeleiteten Keramiken
Gefriergießen
Thiol-En-Klickchemie
Stereolithographie
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Series: Advanced Ceramic Materials
Series Number: 3
ISBN: 978-3-7983-3089-4
Notes: Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3088-7 (ISSN 2569-8303)
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