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Kolloidale Kristalle aus monodispersen Silika-Polymer Hybridpartikeln

Spahn, Peter :
Kolloidale Kristalle aus monodispersen Silika-Polymer Hybridpartikeln.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kolloidale Kristalle aus monodispersen Silika-Polymer Hybridpartikeln
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit ist dem Themenkreis der physikalischen Effektfarben und dem der noch jungen photonischen Kristalle zuzuordnen. Monodisperse, submikrometergroße Kern-Schale Kugelpartikel, aufgebaut aus einem Silika-kern und einer Polymerschale, wurden synthetisiert und dann aus der Dispersion oder in der Schmelze zu kolloidal-kristallinen Schichten und Filmen verarbeitet, in denen die Kerne in der Art von Opaledelsteinen ein kubisch-flächenzentriertes Gitter aufbauten. Licht wird an solchen Kunstopalen farbselektiv und winkelabhängig reflektiert. Der optischen Kontrast zwischen den Kernen und der umgebenden Matrix bestimmt die Farbbrillanz. Der größere Teil der Arbeit ist Opalfilmen gewidmet, die mit der kürzlich am Deutschen Kunststoff-Institut entwickelten Methode der Schmelze¬scherung erzeugt wurden. Dieses Ver-fahren erlaubt die schnelle, serientaugliche Produktion von großflächigen Opalfilmen aus speziellen Partikeln mit einem harten, vernetzten Kern und einer aufschmelzbaren, fließfähigen Schale, wobei Kern und Schale fest aufeinander gepfropft sein müssen. Die Synthese dementsprechend wohldefinierter Silika-Polymer Partikel wurde genau ausgearbeitet: Monodisperse Silika¬partikel wurden in einem mehrstufigen Stöber-Prozess erzeugt und dann mit Organosilanen hydrophobisiert. Anschließend wurden sie in der Emulsionspoly¬merisation mit einer oder zwei Schalen aus Polyacrylaten oder- methacrylaten beschichtet. In Übereinstimmung mit der Literatur wurde meist das Methacryloxypropyltri-methoxysilan verwendet, weil dieses mit seiner Acrylat¬funktion an der Polymerisation teilnehmen kann. Eine Kontroll¬studie bewies aber, dass sich die Kern-Schale Architekturen ebenso mit anderen Silanen ohne Acrylatfunktionen, aber mit passender Hydrophobie, aufbauen ließen. Die Opalfilme aus den Silika-Polymer Partikeln waren überraschend farbstark, obwohl der optische Kontrast zwischen den Silikakernen und der Matrix aus dem Schalepolymeren nur gering ist. Die Optik der Opalfilme wurde mit der UV/vis-Spektroskopie ausführlich untersucht. Ein attraktives Farbspiel war vor allem bei elastomeren Opalfilmen zu beobachten, die bei Verformung ihre Farbe änderten. Harte Opalfilme wurden auch invertiert. Die Silikakerne wurden mit Fluss¬säure ausgeätzt, wodurch Poren an die Stelle der Kerne traten. Die Poren erhöhten den optischen Kontrast, weshalb die Farbbrillanz enorm zunahm. Das Porengitter konnte geschlossen- oder offenzellig gestaltet werden. In den offen¬zelligen Filmen waren die Poren miteinander verbunden. Die Wellenlänge und die Intensität der Farbe dieser Filme konnte durch das Infiltrieren mit Flüssigkeiten ge¬schaltet werden. In einem kleineren Teil der Arbeit wurden anorganische Invers¬opale mit einer besonderen Struktur hergestellt. Aus Silika-Polymer Partikeln wurde mit der Technik des vertikalen Trocknens Opalschichten erzeugt, deren Hohlräume mit Titandioxid gefüllt wurden. Nach dem Entfernen des Polymeren resultierten ein fcc-Porengitter, in denen jede Pore einen beweglichen Silika¬kern enthielt. Diese regellos in den Poren liegenden Silikakerne brachten die Farbe des Opalgitters fast völlig zum Verschwinden. Wurden die Poren dieser Doppelopale aber mit Flüssigkeiten infiltriert, erstrahlten die für anorganische Inversopale typischen brillanten Farben. Simulationen des optischen Dis¬persions¬diagramms wiesen darauf hin, dass die Doppelopale als schaltbare photonische Kristalle mit einer vollständigen Bandlücke gestaltet werden könnten. Als Ausblick werden am Ende der Arbeit noch erste Untersuchungen zu phononischen Bandlücken in Opalfilmen aus Silika-Polymer Partikeln angesprochen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis contributes to the research about physical effect colors and photonic crystals. Monodisperse submicron-sized core shell beads, consisting of a silica core and a polymer shell, were synthesized and crystallized as a dispersion or in the melt into colloidal crystalline layers or films wherein the silica cores build up a face-centered cubic lattice similar to the natural gemstone opal. These artificial opals appear colored because of the wavelength and angle dependent reflection of the incident light. The optical contrast between the cores and their surrounding matrix determines the brilliance of the color. The main part of this thesis is dedicated to opal films which were produced by shearing a melt, using a method recently developed at the German Institute for Polymers. This technique enables the fast, industrially practicable production of large area opal films from unique particles with a hard, crosslinked core and a meltable, film forming shell, whereby core and shell have to be strongly interconnected by grafting. The synthesis of appropriate high quality silica polymer core shell particles was worked out exactly: Monodisperse silica beads were synthesized in a multistep Stöber process and hydrophobized with organosilanes. Subsequently they were coated with one or two polymer shells by emulsion polymerization of acrylic or methacrylic monomers. In accordance with literature, mainly the methacryl oxypropyl trimethoxysilane was used as organosilane, because of its capability to copolymerize with acrylics. However, a comparative study proved that other silanes without any acrylic functionality but with similar hydrophobicity were suitable as well. The opal films from silica polymer hybrid particles showed surprisingly brilliant colors, despite the small optical contrast between the silica cores and the polymer matrix. The optical properties were thoroughly evaluated by UV/vis spectroscopy. The most appealing color play was observed from elastomeric opal films which changed their color by deformation. Hard opal films were also transformed into inverse opal films. The silica cores were etched out with hydrofluoric acid, leaving pores at the cores' lattice sites. This increased the optical contrast, boosting the color brilliance enormously. The pores could be shaped isolated or interconnected. In the latter case, the wavelength and the intensity of the opaline color could be switched by infiltration of the pores with liquids. A minor part of the thesis deals with double inverse opals, a novel variety of inorganic inverse opals. Silica polymer core shell particles were crystallized by drying into opaline layers, the voids of which were filled with titania. The removal of the polymer yielded pores, ordered in the face-centered cubic lattice of a titania inverse opal, but with one additional, mobile silica core inside each pore. These randomly oriented inclusions eliminated the strong colors of the inorganic inverse opals almost completely. But the infiltration with liquids, optically masking the silica particles, revealed the opaline colors. The observation of this unique switching behaviour triggered theoretical simulations which pointed out a potential of double inverse opals for the switching of a complete photonic band gap. At the end of the thesis, a first hint of a phononic band gap in silica polymer opal films is presented as an outlook.English
Uncontrolled Keywords: emulsion polymerization, colloidal crystals, photonic crystals , core shell particles, effect colors, opal films, monodisperse particles, self-assembly
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
emulsion polymerization, colloidal crystals, photonic crystals , core shell particles, effect colors, opal films, monodisperse particles, self-assemblyEnglish
Emulsionspolymerisation, kolloidale Kristalle, photonische Kristalle, Kern Schale Partikel, Effektfarben, Opalfilme, monodisperse Partikel, SelbstorganisationGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10103
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Rehahn, Prof. Dr.r Matthias and Schneider, Prof. Dr.r Jörg J.
Refereed: 7 April 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1010
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