Microgels at liquid interfaces

Bochenek, Steffen; Richtering, Walter (Thesis advisor); Isa, Lucio (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Mikrogele sind dreidimensionale, vernetzte Polymernetzwerke mit kolloidaler Größe, die in einem guten Lösungsmittel dispergiert und gequollen sind. Sie kombinieren Eigenschaften sowohl von Polymeren als auch von kolloidalen Partikeln, wie z. B. das Quellen oder Entquellen als Reaktion auf Umgebungsveränderungen oder ihre Kristallisation bei hohen Volumenanteilen. Weiterhin wurde gezeigt, dass Mikrogele leicht an Grenzflächen adsorbieren und responsive Emulsionen, Schäume oder Beschichtungen formen. Obwohl Mikrogele in Lösung eine isotrope, sphärische Form haben, werden sie bei der Adsorption anisotrop. Die typische Struktur regulär vernetzter Mikrogele an Grenzflächen wird von einer Kern-Korona-Morphologie beschrieben. Hier werden die Temperaturempfindlichkeit und der Polymer-Partikel-Übergang von Mikrogelen an flüssigen Grenzflächen untersucht. Das zweidimensionale Phasendiagramm von poly(N-isopropylacrylamid) (pNIPAM) Mikrogelen unterhalb und oberhalb ihrer Volumenphasenübergangstemperatur wird mithilfe von Kompressionsisothermen, Rasterkraftmikroskopie, Bildanalyse und Reflektometrie untersucht. Bei geringer Kompression dominieren die stark gespreiteten Koronen der Mikrogele ihre Wechselwirkungen untereinander und das Phasenverhalten der Mikrogelmonolagen ist bei beiden Temperaturen gleich. Polymersegmente in direktem Kontakt mit der Grenzfläche verlieren aufgrund der Oberflächenenergie ihre Temperaturempfindlichkeit. Bei höherer Kompression werden die Teile der Mikrogele, welche sich in der wässrigen Phase befinden, relevant und überwiegen bei ihren Wechselwirkungen. Diese Teile können entquellen, was zu einer Veränderung des isostrukturellen Phasenübergangs führt. Diese Veränderung tritt sowohl an der n-Dekan-Wasser- als auch an der Luft-Wasser-Grenzfläche auf. Daraus folgt, dass die temperaturabhängige Quellung senkrecht zur Grenzfläche die Kompressibilität innerhalb der Grenzfläche beeinflusst. Verschiedene pNIPAM-basierte Systeme, angefangen bei linearen Polymeren, über regulär vernetzte, bis hin zu hohlen Mikrogelen werden untersucht. Ähnlich wie bei Mikrogelen in Lösung zeigt sich, dass die Verformbarkeit oder Weichheit von Mikrogelen aufgrund von Einschränkungen des Polymernetzwerks, eine dominierende Eigenschaft für ihr Grenzflächenverhalten ist. Ihr weiches Wechselwirkungspotential kann nicht nur durch eine Variation des Vernetzergrades, sondern auch durch die Architektur des polymeren Netzwerks, z. B. durch den Einbau eines Hohlraums, eingestellt werden. Um den Übergang von Polymeren zu Teilchen, d. h. der Übergang von linearen Polymeren zu regulär vernetzten Mikrogelen, genauer zu bestimmen, werden ultraniedrig vernetzte Mikrogele untersucht. Bei diesen handelt es sich um die pNIPAM Mikrogele mit der geringsten Anzahl von Vernetzungspunkten, welche durch Fällungspolymerisation synthetisiert werden können. Ihr Phasenverhalten und ihre rheologischen Eigenschaften in Lösung entsprechen denen von anderen weichen Kolloiden. Werden diese Mikrogele jedoch an eine Öl-Wasser-Grenzfläche gebracht, ähneln ihre Kompressionsisothermen denen flexibler Polymere, und es wird eine konzentrationsabhängige Topographie beobachtet. Abhängig von der Kompression können sich diese Mikrogele wie flexible Polymere verhalten, die ein Substrat mit einem gleichmäßigen Film bedecken, oder wie Mikrogele, die eine Monolage von unterscheidbaren Partikeln bilden.

Identifikationsnummern

Downloads