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Elastomere kolloidale Kristalle aus hart-weichen Kern-Mantel-Latices

Ruhl, Tilmann :
Elastomere kolloidale Kristalle aus hart-weichen Kern-Mantel-Latices.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elastomere kolloidale Kristalle aus hart-weichen Kern-Mantel-Latices
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vollständigen Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung von polymeren Formkörpern mit kolloidal-kristalliner Ordnungsstruktur von der Synthese bis zur Verarbeitung. Durch mehrstufige Emulsionspolymerisation wurden monodisperse Latexpartikeln (Durchmesser 200- 400 nm) mit einem Kern aus Polystyrol und einem Mantel aus Polyethylacrylat synthetisiert. Der Polystyrolkern wurde hochgradig vernetzt und der Polyethylacrylatmantel über eine polymere Zwischenschicht auf den Kern aufgepfropft. Wenn die Masse dieser Kernmantel-Latexkugeln bei erhöhter Temperatur durch uniaxiale Kompression der Polymerschmelze zu Latexfilmen verpreßt wird, formen die Polystyrolkerne in der Matrix der verfilmten Polyethylacrylatmäntel ein kolloidal-kristallines Gitter mit kubisch-flächenzentrierter (fcc) Ordnung nach einem neuen Mechanismus der Selbstorganisation. Diese Struktur entspricht dem Opal, der als Halbedelstein bekannt ist. Mit Transmissionselektronenmikroskopie wurde die Güte des Gitters charakterisiert, wobei sich herausstellte, daß die hexagonal dichtest gepackte (111)-Ebene stets parallel zur Oberfläche der Latexfilme liegt. Durch Bragg-Streuung mit sichtbarem Licht entstehen winkelabhängige Farben in Reflektion und die komplementären Farben in Transmission. Der Farbbereich kann über die Partikelgröße, die Streuintensität über den optischen Kontrast von Kern und Mantel der Kugeln eingestellt werden. Die Latexfilme sind gummielastisch und können reversibel verformt werden, wobei das Gitter ebenfalls verformt wird, so daß sich die Reflektionswellenlängen verschieben. Durch Streuung an der im Film schräg liegenden (220)-Ebene entsteht in Reflektion ein sternförmiges Farbmuster mit einer radialen, 6-zähligen Symmetrie. Dieses Phänomen beweist die makroskopische dreidimensionale Orientierung des fcc-Gitters in radialer Richtung, die aus Zwillings-Einkristallen besteht. Diese großflächige Ausrichtung des Gitters wird im Schmelzefluß induziert. Die Latexfilme können mit herkömmlichen Thermoplasten wie Polycarbonat zu stabilen Verbundmaterialien mit Effektfarben laminiert werden, die durch Thermoformen zu Formkörpern mit beliebiger Gestalt weiterverarbeitet werden können. Aus ähnlichen Kern-Mantel-Partikeln mit einem besonders dünnen Mantel aus Polyethylacrylat wurden weiterhin kolloidale Kristalle nach der herkömmlichen Methode des kontrollierten Dispersionstrocknens hergestellt. Wegen des dünnen Elastomermantels verschmelzen die Partikeln an ihren Berührungspunkten, ohne das Zwickelvolumen vollständig zu füllen, so daß dieses als Reaktionsraum zur Bildung von Titandioxid genutzt werden kann. Werden die Polymerpartikeln anschließend entfernt, entsteht eine poröse Titandioxidstruktur aus periodisch angeordneten Hohlräumen entsteht, die durch Kanäle miteinander verbunden sind. Diese kokontinuierliche Struktur, die auch als inverser Opal bezeichnet wird, zeichnet sich durch einen hohen Brechungsindexkontrast aus. Sie eröffnet einen Zugang zu photonischen Kristallen mit vollständiger Bandlücke.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this PhD thesis, a new process for the production of polymeric specimens with a colloidal crystalline structure is described, from the synthesis up to the processing techniques. Monodispersed latex particles (diameter = 200 - 400 nm) with a core of polystyrene and a shell of polyethylacrylate were prepared by stepwise emulsionpolymerisation. The polyethylacrylate shell is fairly completely grafted to the strongly crosslinked polysterene core by means of a polymeric interlayer. When the mass of these core-shell latex spheres is compressed to latex films, by uniaxial compression at elevated temperatures, the polystyrene cores arrange themselves in the matrix of the polyethylacrylate shells in the fashion of a colloidal crystalline lattice with face centered cubic (fcc) order. The process is driven by a new mechanism of self-assembly. The fcc structure corresponds to that of natural opals, which are beautifully colored gemstones. The quality of the fcc lattice was characterised by transmission electron microscopy which revealed that the hexagonal closed packed (111) plane is always oriented parallel to the film surface. The ordered films exhibit angle dependent reflection colors, due to Bragg scattering of visible light, and, in transmission, the complementary colors. The colors depend on the size of the latex spheres while the intensity depends on the optical contrast between the cores and the shells. These latex films display rubber elasticity and can be deformed reversibly whereby the crystalline lattice is deformed, too, which alters the reflection colors. Scattering at the (220) plane of the lattice which runs at an olique angle through the film leads to a starlike reflection with a six-armed radial symmetry. This phenomenon demonstrates that the fcc lattice is macroscopically orientated in the films. These films consist, in fact, of single crystals. The only element of diorder on the macroscopic scale is twinning: the crystal orientation changes sometimes into its mirror image. This extraordinary orientation of the lattice is induced by the shear forces in the melt during film formation. The latex films can be laminated with commercial thermoplastics like polycarbonate which leads, by thermoforming, to effect-color materials of arbitrary shapes. From core-shell particles with a particularly thin shell of polyethylacrylate, colloidal crystals were prepared by drying techniques that were developed by other groups. The adavnatage of the thin shells is that they merge where the spheres touch, in the lattice, without filling the whole space between the spheres. The remaining pores can be filled with titanium dioxide. When, afterwards, the polymer spheres are removed, a fcc lattice of interconnected pores results that is known as the inverse opal structure. This nanoporous cocontinuous structure, which is distinguished by a high refractive index contrast, open the route towards photonic crystals with a complete band-gap.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000339
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3397
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rehahn, Prof. Dr. M. and Zentel, Prof. Dr. R.
Advisors: Braun, Prof. Dr. D.
Refereed: 28 April 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/339
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