Maßgeschneiderte responsive Mikrogele

Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Synthese submikro- und nanometer großer Hydrogelkolloide mit kontrollierter Größe sowie deren effiziente und wohldefinierte zweidimensionale Strukturierung auf einem Substrat beschrieben und die Möglichkeit einer katalytischen Anwendung untersucht. Hydrogele sind dreidimensionale, chemisch oder physikalisch quervernetzte Polymernetzwerke, die in Wasser gequollen vorliegen und durch ihre einzigartige Netzwerkstruktur ein Quellverhalten aufweisen. Von großer Bedeutung sind sogenannte “smarte“ oder “intelligente“ Hydrogele, die auf eine Änderung eines äußeren Stimulus wie z.B. Temperatur, pH-Wert, Ionenstärke oder elektrisches Feld mit einer abrupten und reversiblen Volumenänderung reagieren. Dadurch besitzen sie eine Volumenphasenübergangstemperatur (VPTT), bei der ein Übergang von dem gequollenen in den kollabierten Zustand unter Abgabe von Wasser aus ihrem Netzwerkinneren stattfindet. Das bekannteste Mitglied der sogenannten thermoresponsiven, “intelligenten“ Gele ist ein Hydrogel auf der Basis von Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) bei welchem häufig N,N‘ -Methylenbisacrylamid als Quervernetzungsreagenz verwendet wird. Aufgrund dieser einzigartigen Materialeigenschaften eröffnen sich komplett neue Anwendungsmöglichkeiten, weshalb sich PNIPAM-Hydrogele in den letzten Jahren zu einem interessanten Forschungsgebiet in Wissenschaft und Technik entwickelt haben. Diese vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Hauptthemenbereiche und umfasst die gezielte Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten thermoresponsiven Mikrogelen sowie deren 2D-Assemblierung und deren Verwendung als Trägermaterialien für katalytische Anwendungen. Für diese Arbeit wurden thermoresponsive Mikrogele auf Basis von N-Isopropylacrylamid (NIPAM) und N-Isopropylmethacrylamid (NIPMAM) synthetisiert. PNIPAM-Mikrogele zeigen eine VPTT bei 32°C während Poly-N-Isoproplymethacrylamid (PNIPMAM) Mikrogele eine VPTT zwischen 38 – 44°C besitzen. Der erste Teil der Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten thermoresponsiven Mikrogelpartikeln auf Basis von PNIPMAM. Die Forschung an thermoresponsiven Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften ist für die Entwicklung von neuen, innovativen und zukunftsorientierten Technologien von hoher Relevanz. Die Synthese von thermoresponsiven Mikrogelpartikeln erfolgte wahlweise mittels tensidgestützter und tensidfreier Fällungspolymerisation. Dazu wurde eine Serie von positiv und negativ geladenen PNIPMAM-Mikrogelen unter Verwendung verschiedener Tenside und Tensidkonzentrationen hergestellt. Als Tenside kamen das anionische Tensid Natriumdodecylsulfat (SDS), das kationische Tensid Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) und das nicht-ionische Zuckertensid n-Octyl-β-D-Glucopyranosid (β-C8G1) zum Einsatz. Mit Hilfe der Fällungspolymerisation konnten monodisperse, sphärische, thermoresponsive Mikrogele mit einer geringen Polydispersität synthetisiert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine Veränderung der Tensidkonzentration einen wesentlichen Einfluss auf die finale Partikelgröße der Mikrogele hat. Eine exponentielle Abnahme des hydrodynamischen Durchmessers mit zunehmender Tensidkonzentration wurde beobachtet. Die Charakterisierung der Materialien erfolgte mit Hilfe von abbildenden Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM), um die Partikelgrößen im nahezu vollständig kollabierten Zustand zu analysieren. Zusätzlich wurden winkelabhängige Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) Messungen durchgeführt, um die in Lösung vorliegenden Durchmesser bei 20°C für den gequollenen Zustand und bei 60°C für den kollabierten Zustand zu ermitteln. Des Weiteren wurden temperaturabhängige PCS Messungen herangezogen, um die Quelleigenschaften der Mikrogele genauer zu untersuchen. Für eine Charakterisierung des Quellverhaltens wurde das Quellverhältnis α in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt. Zusätzlich wurden Zetapotentialmessungen zur Bestimmung der Partikelladung durchgeführt. Im zweiten Teilabschnitt wird in einer Studie gezeigt wie man eine 2D-Anordnung von kolloidalen Mikrogelpartikeln auf einer Substratoberfläche erzeugen kann. Für dieses Vorhaben wurden die Methoden Floating, Drop-Casting und Spin-Coating herangezogen. In der durchgeführten Studie hat sich erstere als am besten geeignet erwiesen. Es konnte erstmals demonstriert werden, dass großflächige 2D-Anordnungen von Mikrogelpartikeln auf einem Substrat erzeugt werden können. Zudem wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden herausgearbeitet und miteinander verglichen. Im dritten Teilabschnitt wird die Verwendbarkeit der thermoresponsiven Mikrogelpartikel als Trägermaterial für verschiedene Nanopartikel bei katalytischen Anwendungen überprüft. Dazu wurden die thermoresponsiven Mikrogelpartikel über eine in-situ Nanopartikelsynthese mit Nanopartikeln beladen. Über die verwendete Konzentration an Reduktionsmittel und Precursor-Material kann die finale Nanopartikelgröße und die Beladung im Mikrogelnetzwerk gesteuert werden. Die mit Nanopartikeln beladenen Hybrid-Mikrogele wurden anschließend in einer Oxidationskatalyse eingesetzt, um deren Verwendbarkeit als Trägermaterial für katalytische Anwendungen zu überprüfen.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Von Nessen, Katja

Contributors dc:contributor

• Förster, Stephan

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2131/

OAI identifier oai:identifier

oai:epub.uni-bayreuth.de:2131