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Polymerbeschichtung und Funktionalisierung nanokristalliner Oxide in der Gasphase

Schallehn, Michael :
Polymerbeschichtung und Funktionalisierung nanokristalliner Oxide in der Gasphase.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Polymerbeschichtung und Funktionalisierung nanokristalliner Oxide in der Gasphase
Language: German
Abstract:

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Nanopartikel in einem einstufigen Prozess in der Gasphase herzustellen und in situ mit einer Polymerschicht zu umhüllen. Dabei erfolgt die Bildung der nanokristallinen, oxidischen Kerne über den Prozess der chemischen Gasphasensynthese (CVS), die Abscheidung der Polymerschicht auf den Partikeln folgt dem Mechanismus der Plasmapolymerisation. Die Dicke der Polymerschicht und ihre chemische Struktur lassen sich durch die Verwendung unterschiedlicher Monomere und Plasmaparameter, insbesondere durch die Verwendung gepulster Plasmen, verändern. Die experimentellen Arbeiten beginnen mit einer Untersuchung der Zersetzung des Precursors im Plasma, der sich aufgrund seines hohen Gehalts an organischen Gruppen auch als "Single-Source"-Precursor für oxidische Nanopartikel einschließlich der polymeren Hülle eignen sollte. Im Folgenden werden durch den Einsatz verschiedener Monomere gezielt Mehrfachbindungen, Sauerstoff-, Stickstoff- und Fluor-haltige funktionelle Gruppen in die Polymerschicht auf den Nanopartikeln eingebracht. Dabei wird untersucht, inwieweit sich der Gehalt der funktionellen Gruppen in der Polymerschicht durch die Plasmaparameter steuern lässt. Da die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel durch diese Maßnahmen verändert werden, hat dieses auch Auswirkungen auf die Dispergierbarkeit und damit auf die Anwendungsmöglichkeiten der Nanopartikel. Insofern haben die Plasmaparameter über die Strukturänderungen in der Polymerschicht einen direkten Einfluss auf die Eigenschaften der Nanopartikel. Diese Zusammenhänge werden in der Arbeit offengelegt und nutzbar gemacht. Es wird gezeigt, dass durch Plasmapolymerisation Zirkondioxid-Nanopartikel in-situ mit verschiedenen Polymeren beschichtet werden können. Die Nanopartikel werden mit anderen Oberflächeneigenschaften ausgestattet, ohne dass es zu einem Verlust der typischen nanoskalaren Eigenschaften kommt. Nanopartikel aus dem CVS-Prozess sind sowohl in festen als auch in flüssigen, polymeren und organischen Matrizes auf Partikelgrößen unter 100 nm dispergierbar . Die wesentlichen Ergebnisse stellen sich wie folgt dar: In sämtlichen Versuchen sind aus dem Precursor Zirkonium-tert-butylat (ZTB) durch Pyrolyse nanokristalline ZrO2-Partikel hergestellt worden, die durch anschließende Plasmapolymerisation mit einem Polymer oberflächenmodifiziert worden sind. Allein aus dem Precursor ZTB ist es möglich, nanokristallines ZrO2 mit einer Polymerbeschichtung zu erzeugen. Durch den Zusatz von Acetylen lassen sich die Nanopartikel in Lösemitteln unter 100 nm dispergieren. Gleichzeitig können durch Pulsen des Plasmas verstärkt reaktive Gruppen in die Polymerhülle eingebracht werden. Wird Maleinsäureanhydrid (MSA) zugesetzt, lassen sich die Partikel bis unter 80 nm in Lösemitteln dispergieren. Zusätzlich können gezielt Carboxylgruppen in die Polymerschicht eingebracht werden. Durch die Verwendung von Hexafluorxylol (HFX) wird eine Fluorierung der Polymerschicht um die Partikel gewährleistet, so dass diese in fluorierten Lösemitteln dispergierbar sind. Unter Zusatz von MSA beschichtetes ZrO2 lässt sich sehr gut in Polymethylmethacrylat (PMMA) einarbeiten, wobei die Agglomeratgröße noch kleiner als in flüssigen Dispersionen ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of this work is the synthesis of nanoparticles in the gas phase and their in-situ coating with a polymer film. Nanocrystalline, oxide particles are synthesized using chemical vapor synthesis (CVS). The polymer coating of the nanoparticles is deposited by plasma polymerization. Different monomers and plasma conditions, especially pulsed plasmas, can be used to change the thickness of the polymer film and its chemical structure. The experiments start with a examination of the pyrolysis of the precursor in the plasma. In the following parts functional sites, containing double or triple bonds, oxygen, nitrogen or fluorine, are integrated in the polymer coating of the nanoparticles. It is analysed how the content of functional sites in the polymer coating is influenced by different plasma parameters. These changes of the surface properties of the nanoparticles alter the macroscopic properties such as their dispersibility in diverse liquid and solid media as solvents or polymers. The connection between the structure of the polymer shell and the properties (dispersibility) of the polymer coated nanoparticles are revealed. It is shown that zirconia nanoparticles are coated in-situ with different polymer films by plasma polymerization. The particles are provided with different surface properties without loosing their typical "nano"-properties. Zirconia nanoparticles produced by this combined CVS plasma polymerization process are dispersible in different solid or liquid, polymeric and organic media to particle sizes below 100 nm. The essential results are as follows. Nanocrystalline zirconia particles are synthesized by pyrolysis of the precursor zirconium-tert-butylate (ZTB) in all experiments. These nanoparticles are coated in-situ with a thin polymer film by subsequent plasma polymerisation. It is possible to produce polymer coated zirconia nanoparticles by the use of the precursor ZTB of its own. If acetylene is used as a monomer, the particles are dispersable in acetone below 100 nm. If the plasma is pulsed additionally, the integration of reactive sites in the polymer coating is enhanced. The usage of maleic anhydride allows the insertion of carboxylic groups in the polymer shell. These particles are dispersable in acetone to 80 nm. The monomer hexafluorxylene creates a fluorinated polymer coating around the nanoparticles, making them dispersable in fluorinated solvents. Zirconia nanoparticles modified by maleic anhydride can be incorporated very well in polymethylmethacrylate. The size of the dispersed agglomerates in the polymer is even smaller than that in solvents.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000377
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3779
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hahn, Prof. Dr.- Horst and Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Advisors: Hahn, Prof. Dr.- Horst
Refereed: 1 September 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/377
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