Farbstoff macht Spannungen im Kunststoff sichtbar

Ein neuer Farbstoff macht Spannungen und deren Stärke in Kunststoffen sichtbar. Ob das funktioniert, wurde in mechanischen Experimenten an einen Kunststoff-Prüfkörper untersucht. Foto: TU Chemnitz

Mechanische Spannungen in Kunstoffen werden direkt sichtbar. Ein neues Farbstoffmolekül zeigt farblich sogar die Stärke der Belastung an.

Ein Forschungsteam unter Federführung der TU Chemnitz entwickelt Farbstoffe, die Spannungen und deren Stärke in Kunststoffen durch Farbänderung sichtbar machen. Hierzu ist es den Forschern gelungen, ein neues Farbstoffmolekül aus dem Bereich der Mechanophore zu konstruieren.

Dank dieses Moleküls können Bauteilspannungen je nach Stärke stufenlos durch Farbänderungen angezeigt werden. Das Konzept solcher Farbstoffe ist nicht neu, allerdings konnten bisherige Mechanophore meist nur die An- oder Abwesenheit von Spannungen in Kunstoffen anzeigen. Durch die aktuelle Forschung kommt nun noch die Dimension der tatsächlichen Stärke der Spannung hinzu.

Das bringt große Vorteile überall dort, wo es wichtig ist, jederzeit einen Überblick über die Belastung und damit auch die Integrität des Materials zu haben. Diese effektive Form von Schadensanalytik zur praktischen Anwendung zu bringen ist das Ziel des Forschungsteams.

Farbstoff zeigt farblich die Stärke der Spannung

Wie die Forscher berichten, können durch die Kombination eines molekular designten Farbstoffes mit einem geeigneten und vor allem nicht-spröden Kunststoffes makroskopische Kräfte nun auf die molekulare Skala übertragen werden. Diese einwirkenden Kräfte können zum Beispiel äußerer Druck oder Zug sein.

Das Farbstoffmolekül fungiert damit als Sensor für die Kraft, die innerhalb des Kunststoffes wirkt. Es zeigt Kraftänderungen durch Änderungen der Farbigkeit an. Nimmt die Kraft auf den Kunststoff ab, geht das Farbstoffmolekül wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Daher wird dieser Farbstoff auch als „molekulare Feder“ bezeichnet – sie dehnt sich und „springt“ danach wieder in den Ursprungszustand.

Im Vergleich zu bereits existierenden molekularen Schaltern, die Kräfte in Kunstoffen durch Farbänderung anzeigen können, liegen die Vorteile hier auf der stufenlosen Abbildung von verschieden großen Kräften sowie des federartigen Verhaltens des Moleküls, das damit immer wieder eingesetzt werden kann.

Direkte Sichtbarmachung von Belastungen

„Dies ist ein großer Schritt in Richtung der direkten Sichtbarmachung von externen Spannungen und Eigenspannungen von Kunstoffen mit einfacher Analytik, was für die weitere Entwicklung von Materialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften oder im Bereich des 3D-Drucks von großem Nutzen sein kann“, fasst Prof. Dr. Michael Sommer, Inhaber der Professur Polymerchemie der TU Chemnitz, zusammen.

Zukünftige Anstrengungen werden sich darauf konzentrieren, die molekularen, farbverändernden Kraftfedern für die Anwendung in verschiedenen Kunststoffen anzupassen. Dies wird die Zuhilfenahme von Computer-gestützten Methoden erfordern.

mg