Cononsolvency of microgels : equilibrium and dynamics

  • Cononsolvency von Mikrogelen : Gleichgewicht und Dynamik

Nothdurft, Katja; Richtering, Walter (Thesis advisor); Bardow, André (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Mikrogele sind dreidimensionale, vernetzte polymere Netzwerke, die in einem guten Lösungsmittel gequollen vorliegen. Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM)-basierte Materialien sind aufgrund ihres responsiven Verhaltens auf äußere Parameter, wie Temperatur und Lösungsmittelzusammensetzung, von großem Interesse. Obwohl PNIPAM-Mikrogele Gegenstand einer Vielzahl von anwendungsorientierten Studien sind, werden fundamentale Fragen immer noch diskutiert. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Sensitivität von PNIPAM gegenüber der Zusammensetzung von Wasser-Methanol-Mischungen, der sogenannten Cononsolvency. Dabei sind die Gele in den reinen Lösungsmitteln gequollen, während Mischungen um 20 mol% Methanol ein Kollabieren der Gele bewirken. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Eigenschaften des Polymernetzwerks im Vergleich zu seiner Umgebung im Gleichgewicht untersucht. Massenbilanzexperimente in Kombination mit Raman-Mikrospektroskopie zeigten eine Anreicherung von Methanol im Inneren von makroskopischen PNIPAM-Gelen für ungünstige Wasser-Methanol-Gemische. Diese bevorzugte Adsorption von Methanol wurde durch Messergebnisse zur Fluoreszenzlebensdauer von solvatochromen Mikrogelen bestätigt. Darüber hinaus weisen die kollabierten PNIPAM-Mikrogele in ungünstigen Mischungen eine geringere Polarität auf als ihre Umgebung. Die Möglichkeit, die Eigenschaften der Mikrogele durch äußere Parameter zu steuern, wurde genutzt, um die katalytische Aktivität von PNIPAM-basierten Mikrogel-Katalysatoren zu modulieren. Des Weiteren wurden die mechanischen Eigenschaften von Mikrogelen durch Variation des externen osmotischen Drucks untersucht. Es wurde ein Übergang von einem weichen, verformbaren Polymernetzwerk zu einem steiferen, teilweise kollabierten Objekt beobachtet. Im zweiten Teil wurde die Dynamik des Volumenphasenübergangs untersucht. Viele Anwendungen von responsiven Mikrogelsystemen beruhen auf der schnellen und reversiblen Anpassungsfähigkeit des Polymernetzwerks an die Umgebungseigenschaften. Um den Ablauf des Kollapses weiter aufzuklären, wurden fluoreszenzmarkierte Mikrogele im Mikrometerbereich untersucht. Ein speziell angefertigter Mikrofluidik-Aufbau ermöglicht einen schnellen Wechsel von reinem Wasser zu dem ungünstigen Gemisch aus 20 mol% Methanol in Wasser. Das Entquellungsverhalten wird durch einen zweistufigen Prozess beschrieben. Die größte Volumenänderung findet im ersten, schnellen Prozess statt, bei dem die Mikrogele noch porös sind. Im zweiten, langsameren Prozess werden nur geringe Größenänderungen beobachtet. Die Abhängigkeit der Relaxationszeiten vom Mikrogeldurchmesser wird unter Berücksichtigung der adhäsionsbedingten Verformung der Gele und der dem Kollaps zugrundeliegenden physikalischen Prozesse diskutiert.

Identifikationsnummern

Downloads