@phdthesis{Stauch2019,
  author    = {Stauch, Claudia},
  title     = {Synthese und Charakterisierung nanostrukturierter Mikropartikel mit einstellbarem Zerfallsverhalten als Additive f{\"u}r Elastomerkomposite},
  doi       = {10.25972/OPUS-17615},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-176154},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von nanostrukturierten Mikropartikelpulvern mit einstellbarem Zerfalls- und Dispergierungsverhalten und deren Anwendung als verst{\"a}rkender F{\"u}llstoff sowie deren Eignung f{\"u}r Sensoranwendungen. Sie ist in drei Teilbereiche gegliedert: Der erste Teil beschreibt die Synthese der nanostrukturierten Mikropartikelpulvern durch Spr{\"u}htrocknung von kolloidalen oxidischen (silicatischen und eisenoxidischen) Nanopartikeln. Es wird ausgef{\"u}hrt, wie durch Variation der Art und Gr{\"o}ße der Prim{\"a}rpartikel und deren mengenanteiligen Kombination Mikropartikel unterschiedlichster nanostruktureller Maserung und Auspr{\"a}gung erhalten wurden. Das Spektrum dieser Partikel reichte von homogen verteilten Strukturen bis hin zu Kern-Satellit-Struktur, von kontrollierter Aggregierung bis hin zur vollst{\"a}ndigen Dispergierbarkeit. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Partikel im Hinblick auf ihre Eignung und Verwendung als F{\"u}llstoffe f{\"u}r Elastomer-Matrices untersucht. Im Fokus stand die Verst{\"a}rkungswirkung und die Korrelation mit dem Dispergierverhalten in PDMS. Im dritten Teil der Arbeit wurde das Syntheseprinzip der Herstellung nanostrukturierter Mikropartikel auf Hydroxid-basierte Systeme wie LDHs erweitert. Teil I: Von Silica-NP zu nanostrukturierten Mikropartikeln mit einstellbarem Zerfallsverhalten Um nanostrukturierte Mikropartikel mit einem integrierten Zerfallsverhalten zu erzeugen, wurden zun{\"a}chst kolloidale Silica-NP mit einer Gr{\"o}ße von 20 nm abgestuft mit unterschiedlichen Mengen (0, 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 2/3, 1) eines hydrophobierend wirkenden Silans (Triethoxyoctylsilan, OCTEO) modifiziert. Neben den beiden Extremen der vollst{\"a}ndigen und unmodifizierten Varianten (1 und 0) wurden teilweise modifizierte Zwischenstufen erhalten, indem die Silanmenge auf 2/3, 1/2, 1/3, 1/5 und 1/10 im Vergleich zu den vollmodifizierten Silica-NP verringert wurde. Die modifizierten Nanopartikel zeigten beim Dispergieren in verschiedenen Fl{\"u}ssigkeiten (Wasser, Toluol) eindeutige und graduell klar differenzierbare Unterschiede in Abh{\"a}ngigkeit vom Bedeckungsgrad der Partikeloberfl{\"a}che mit dem Silan. Wie erwartet nahm das hydrophobe Verhalten der Nanopartikel mit zunehmendem Bedeckungs- und damit Modifizierungsgrad zu und die Nanopartikel waren in unpolaren Fl{\"u}ssigkeiten wie Toluol gut dispergierbar, w{\"a}hrend sie in polaren Fl{\"u}ssigkeiten wie Wasser zur Agglomeration und Sedimentation neigten. In einem n{\"a}chsten Schritt wurden die zu unterschiedlichen Graden mit OCTEO modifizierten kolloidalen Silica-NP mittels Spr{\"u}htrocknung in mikroskalige Pulver {\"u}berf{\"u}hrt. Die nanostrukturierten Mikropartikelpulver wurden mit verschiedenen Analysemethoden wie REM-Aufnahmen, BET-, FTIR- und TG-Messungen untersucht, und die Eigenschaften der gebildeten Partikel charakterisiert. Die nanostrukturierten Mikropartikel zeigten auf den REM-Aufnahmen abh{\"a}ngig vom Modifizierungsgrad der Nanopartikel ein sehr unterschiedliches Aussehen. W{\"a}hrend die Mikropartikel aus vollst{\"a}ndig modifizierten Nanopartikeln eine eher raue Oberfl{\"a}che besaßen, hatten die aus unmodifizierten Nanopartiklen gebildeten eine sehr glatte, kompakt erscheinende Oberfl{\"a}che, was als Hinweis auf eine Kondensation und eine damit verbundene Aggregation der Nanopartikel gewertet wurde. Da sich diese Hypothese anhand der Aufnahmen aber nicht beweisen ließ, wurden in einer n{\"a}chsten weiterf{\"u}hrenden Testreihe Nano-Indenter-Experimente unter dem REM mit den aus voll- und unmodifizierten Nanopartikeln aufgebauten Mikropartikeln durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse best{\"a}tigten den ersten Eindruck der REM-Aufnahmen insofern, als das sich die sehr kompakt wirkenden unmodifizierten Partikel nicht mit einer Wolfram-Spitze eindr{\"u}cken ließen und damit die Hypothese mechanisch stabiler Aggregate untermauerten. Ganz anders verhielten sich die vollmodifizierten Partikel, die mithilfe der Wolfram-Spitze so eingedr{\"u}ckt werden konnten, dass die Nanopartikel aus dem Mikropartikelverbund herausgel{\"o}st wurden und teilweise vereinzelt vorlagen. Hier handelte es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um Agglomerate, die unter der Einwirkung einer Scherkraft wieder vereinzelt werden konnten. Da es mit mikroskopischen Verfahren wie REM nicht m{\"o}glich war, unmittelbare Aussagen bez{\"u}glich der Wechselwirkung der Nanopartikel im Mikropartikel zu treffen, wurden zun{\"a}chst die Oberfl{\"a}cheneigenschaften mittels BET-, FTIR- und TG-Messungen untersucht. Im Hinblick auf die sp{\"a}tere Anwendung war es sehr wichtig, die Oberfl{\"a}cheneigenschaften der Mikropartikel m{\"o}glichst umfassend zu charakterisieren, da diese entscheidend zur Dispergierbarkeit der Partikel in einem Matrixsystem beitragen. Mithilfe der FTIR- und TG-Messungen konnte die Anwesenheit und Menge von Silan auf der Partikeloberfl{\"a}che bestimmt werden. Es zeigte sich ein klarer Trend f{\"u}r die zu verschiedenen Graden mit OCTEO modifizierten Silica-NP. Mit zunehmender Silanmenge nahm sowohl die Intensit{\"a}t der FTIR-Bande f{\"u}r die CH2- und CH3-Streckschwingung als auch der Masseverlust zu. Im Gegensatz zu diesen Messungen zeigte sich bei den BET-Messungen kein klarer Trend in Abh{\"a}ngigkeit vom Bedeckungsgrad der Silica-NP. Die h{\"o}chsten Werte f{\"u}r die spezifische Oberfl{\"a}che hatten Mikropartikel, die aus 1/5- und 1/3-modifizierten Silica-NP bestanden. Eine schl{\"u}ssige Erkl{\"a}rung wird darin gesehen, dass durch die Alkylgruppen auf der Oberfl{\"a}che ein Kondensieren der Silica-NP weitestgehend verhindert wurde und gleichzeitig noch gen{\"u}gend Mikroporen vorhanden blieben, die mit den Stickstoffmolek{\"u}len wechselwirken konnten. Neben den Standard-Analysemethoden wurden Dispergierbarkeitsuntersuchungen durchgef{\"u}hrt sowie die Hansen-Dispergierbarkeitsparameter (HDP) und die ET (30)-Werte mit dem Reichardt-Farbstoff bestimmt. Anhand der Dispergierbarkeitsuntersuchungen konnten erste qualitative Aussagen getroffen werden, ob es sich um hydrophile oder hydrophobe Partikel handelt. Diese ersten Ergebnisse und Trends konnten anschließend mit den HDP und dem RD quantitativ untermauert werden. Die Polarit{\"a}t der Mikropartikel, die aus zu unterschiedlichen Graden mit OCTEO modifizierten Silica-NP aufgebaut waren, nahm mit zunehmender Oberfl{\"a}chenbedeckung ab. Dieser Trend korrelierte mit den aus den FTIR- und TG-Messungen erhaltenen Werten. Da es mit den Silica-basierten Mikropartikeln nicht m{\"o}glich war, unmittelbare Aussagen zum Agglomerations- bzw. Aggregationsgrad der Nanopartikel im Mikropartikel zu treffen, wurde das Prinzip der Agglomerations/Aggregationssteuerung {\"u}ber Oberfl{\"a}chenmodifikation auf magnetische Nanopartikel {\"u}bertragen und so ein Modell geschaffen, das die Wechselwirkung auf nanopartikul{\"a}rer Ebene sichtbar und messbar macht. Diese Informationen zum Agglomerationsgrad der Nanopartikel lieferten wertvolle Hinweise im Hinblick auf die Dispergierbarkeit der Partikel in einer Matrix: Handelte es sich bei den Partikeln um lose Agglomerate, k{\"o}nnten diese zum Beispiel in einem Elastomer wieder auf Prim{\"a}rpartikelgr{\"o}ße dispergiert werden, w{\"a}hrend Aggregate nur in undefinierte Sekund{\"a}rstrukturen zerfallen. Gleichzeitig wurde mit dieser System{\"u}bertragung die Frage beantwortet, ob es sich bei den teilmodifizierten Partikeln um eine Mischung aus voll- und unmodifizierten Partikeln handelte oder ob das Silan statistisch {\"u}ber die komplette Oberfl{\"a}che verteilt war. Wie auch schon beim Silica-System wurden die Nanopartikel zun{\"a}chst abgestuft mit OCTEO modifiziert (0, 1/10, 1/3, 1/2, 2/3, 1) und anschließend spr{\"u}hgetrocknet. Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften konnten die Eisenoxid-Partikel mittels ZFC- und FC-Messungen untersucht werden. Diese spezielle Analysemethode erlaubte es, Aussagen {\"u}ber den Grad der magnetischen Wechselwirkung der Partikel zu treffen und somit indirekt auch {\"u}ber den Grad der Agglomeration/ Aggregation der Nanopartikel im Mikropartikel. Es zeigten sich klare Unterschiede in den Werten f{\"u}r die Blocking-Temperatur (TB) zwischen den voll- und unmodifizierten Partikeln. TB ist die Temperatur, ab welcher die Magnetisierungsrichtung der Partikel aufgrund der thermischen Energie frei fluktuieren kann. Die vollmodifizierten Partikeln hatten einen sehr niedrigen Wert f{\"u}r TB, was auf eine schwache Dipol-Dipol- Wechselwirkung zwischen den einzelnen Eisenoxid-NP schließen ließ, w{\"a}hrend die unmodifizierten Eisenoxid-Partikel einen hohen TB-Wert hatten, woraus zu schließen war, dass es sich um Aggregate mit einem sehr geringen Partikel-Partikel-Abstand handelte und einer deshalb h{\"o}heren Wechselwirkung. Die Werte der teilmodifizierten Partikel folgten dem Trend, dass mit zunehmender Silan-Bedeckung der TB-Wert abnahm. Um die Frage der Silan-Verteilung zu beantworten, wurde zus{\"a}tzlich ein Mischsystem aus voll- und unmodifizierten Eisenoxid-NP verspr{\"u}ht. Sollte es sich bei den teilmodifizierten Partikeln (als Beispiel 1/2) nicht um eine statistische Verteilung der Octylgruppen auf der Oberfl{\"a}che handeln, m{\"u}ssten die beiden Messungen {\"U}bereinstimmungen aufweisen. Dies war allerdings nicht der Fall, was mithilfe der ZFC- und FC-Messungen gezeigt werden konnte. Der TB-Wert des Mischsystems lag zwischen dem der voll- und zu 2/3-modifizierten Partikel, w{\"a}hrend der Tir-Wert dem der unmodifizierten Partikel entsprach. Die Breite der Aufspaltung zwischen TB undTir konnte als breite Partikelverteilung (Mischung aus Agglomeraten und Aggregaten) interpretiert werden. Im Hinblick auf die Anwendung als F{\"u}llstoff wurden die Mikropartikel in eine PDMS-Matrix eingearbeitet und erneut ZFC- und FC-Messungen durchgef{\"u}hrt, wobei die gleichen Trends wie bei den reinen nanostrukturierten Mikropartikeln erhalten wurden. Das bedeutete, dass sich die vollmodifizierten Eisenoxid-NP gut im Elastomer verteilt hatten und somit eine nur sehr geringe Dipol-Dipol-Wechselwirkung vorhanden war. Mit dem entwickelten System der nanostrukturierten Mikropartikel l{\"a}sst sich der Agglomerations- bzw. Aggregationsgrad der Nanopartikel mehr oder weniger gezielt einstellen, und es k{\"o}nnen zus{\"a}tzlich Voraussagen {\"u}ber die Redispergierbarkeit des Partikelpulvers in einer geeigneten Matrix gemacht werden. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen, die zum Verst{\"a}ndnis der nanostrukturierten Mikropartikel beitrugen, wurden in einem n{\"a}chsten Schritt gezielt komplexe Strukturen aufgebaut. F{\"u}r eine gezielte Strukturierung von Nanopartikeln in Kern-Satellit-Partikel wurde zun{\"a}chst große 100 nm Silica-NP mit einem PCE funktionalisiert und anschließend mit kleinen und großen unmodifizierten Silica-NP verspr{\"u}ht. Wurden die geeigneten Verh{\"a}ltnisse (70:20:10; 100 nm Mel : 100 nm blank : 20 nm blank) der Partikel zueinander gew{\"a}hlt, konnten Kern-Satellit-Strukturen auf der Mikropartikeloberfl{\"a}che erzeugt werden. Beim Dispergieren der Mikropartikel in einer Fl{\"u}ssigkeit und in einem Elastomer (PDMS) konnten vereinzelte Kern-Satellit-Strukturen erhalten werden. Um zu best{\"a}tigen, dass es sich bei den dispergierten Kern-Satellit-Partikeln nicht um durch Trocknungseffekte entstandene Strukturen handelte, wurden in-situ-Fl{\"u}ssigkeitszellen- TEM-Aufnahmen gemacht. Die Aufnahmen konnten zeigen, dass sich die Kern-Satellit- Partikel in Abh{\"a}ngigkeit zueinander bewegen und nicht jeder Nanopartikel f{\"u}r sich, was auf eine Bindung der Partikel untereinander hindeutete. Neben den Silica-basierten Kern-Satellit-Partikeln konnten auch welche erzeugt werden, deren Satellit-Partikel aus Eisenoxid bestanden. Mit diesem System ist es m{\"o}glich, multifunktionelle Partikel mit verschiedensten Eigenschaften und Strukturen herzustellen. Teil II: Anwendungspotential nanostrukturierter Mikropartikel Im zweiten Teil der Arbeit wurde zun{\"a}chst die Anwendung der nanostrukturierten Mikropartikel als F{\"u}llstoff in IR und PDMS untersucht. Daf{\"u}r wurde ein weiteres Silan, Si69TM, zur abgestuften Modifizierung der Silica-NP eingesetzt. Es handelt sich um ein multifunktionelles Silan, welches sowohl an die Partikeloberfl{\"a}che als auch an das Elastomer binden kann. Bei den mechanischen Untersuchungen der IR-Silica-Komposite zeigte sich, dass das Silan einen entscheidenden Einfluss auf die Verst{\"a}rkung bei kleinen Deformationen hatte. W{\"a}hrend bei dem monofunktionellen Silan (OCTEO) eine direkte Korrelation zwischen Bedeckungsgrad und mechanischer Verst{\"a}rkung (G') bei gleichbleibendem F{\"u}llstoffgehalt beobachtet werden konnte, hatte der Bedeckungsgrad beim multifunktionellen Silan (Si69TM) keinen Einfluss. Anders als bei kleinen Deformationen zeigte sich bei großen Deformationen ein gegenteiliges Bild. Die Verschleißrate der IR-Silica-Komposite nahm bei beiden Silantypen mit zunehmendem Modifizierungsgrad ab, wobei die mit Si69TM modifizierten Partikel-Komposite wesentlich best{\"a}ndiger gegen Verschleiß waren als die mit OCTEO modifizierten Partikel-Komposite, was auf die zus{\"a}tzliche Matrixanbindung des Si69TM zur{\"u}ckzuf{\"u}hren war. Wurden die IR-Silica- Komposite mit den PDMS-Silica-Kompositen verglichen, konnten keine {\"u}bereinstimmenden Trends gefunden werden. Im PDMS-System war die mechanische Verst{\"a}rkung f{\"u}r Mikropartikel aus 2/3 mit OCTEO modifizierten Silica-NP maximal. Diese Unterschiede k{\"o}nnten sowohl auf die unterschiedliche Einarbeitung als auch auf die sehr unterschiedlichen Matrices zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Als weitere Anwendung wurden die nanostrukturierten Mikropartikel als Schersensoren f{\"u}r den 3D-Druck untersucht. Hierf{\"u}r wurden die Silica-NP mit einem PCE modifiziert und anschließend spr{\"u}hgetrocknet. Um die entstandenen Mikropartikel vollst{\"a}ndig in einer Matrix zu dispergieren, waren hohe Scherkr{\"a}fte und lange Scherzeiten erforderlich, was eine m{\"o}gliche Anwendung als Schersensor nur schwer realisierbar macht. Teil III: Erweiterung des Ansatzes zur Herstellung nanostrukturierter Mikropartikel auf Hydroxid-basierte Systeme Im dritten Teil dieser Arbeit wurde das System zur Modifizierung von oxidischen Silicaund Eisenoxid-Partikeln auf ein hydroxidisches Systeme {\"u}bertragen. Hierf{\"u}r wurden mittels F{\"a}llungsprozess LDH-Partikel hergestellt, die anschließend mit OCTEO modifiziert und abschließend spr{\"u}hgetrocknet wurden. In gleicher Weise wie bei den Mikropartikeln aus Silica-NP nahm der hydrophobe Charakter der LDH-Mikropartikel mit zunehmendem Modifizierungsgrad der Ausgangspartikel zu, was sich anhand von Untersuchungen zur Dispergierbarkeit in Fl{\"u}ssigkeiten unterschiedlicher Polarit{\"a}t zeigte. Zudem ließen sich die aus vollmodifizierten LDHs aufgebauten Mikropartikel in einer PDMS-Matrix wieder in vereinzelte Partikel dispergieren. Die Verst{\"a}rkung der Komposite war f{\"u}r die teilmodifizierten Partikel (2/3) maximal, da es sich hier, wie auch bei den anderen Partikelsystemen (Silica und Eisenoxid), um eine Mischung aus vereinzelten LDHs und kleineren Aggregate handelte, was aufgrund der starken F{\"u}llstoff-F{\"u}llstoff-Wechselwirkung zu einer mechanischen Verst{\"a}rkung bei kleinen Deformationen/Dehnungen f{\"u}hrte. Die Eigenschaften der Polymer-Partikel-Komposite ließen sich {\"u}ber den Modifizierungsgrad der Prim{\"a}rpartikel einstellen. Dies konnte f{\"u}r alle drei Partikelsysteme (Silica, Eisenoxid und LDH) beobachtet werden. Ausblick In der vorliegenden Arbeit konnte die Synthese von verschiedenen nanostrukturierten Mikropartikeln und deren einstellbaren Zerfall gezeigt werden. Um den Zerfall der Mikropartikel noch gezielter einstellen zu k{\"o}nnen, sollte in weiterf{\"u}hrenden Arbeiten vor allem die Modifizierung der Nanopartikel noch eingehender untersucht werden. Mithilfe der magnetischen Messungen konnte zwar zwischen einer Mischung aus un- und vollmodifizierten Partikel im Vergleich zu teilmodifizierten Partikel unterschieden werden, es konnten jedoch keine konkreten Aussagen zur Verteilung der Silanmolek{\"u}le auf der Partikeloberfl{\"a}che getroffen werden. Hierf{\"u}r sollten weitere Charakterisierungsmethoden hinzugezogen werden, die die Modifizierung auf molekularer Ebene analysieren. Zus{\"a}tzlich sollte die Verteilung/Anordnung der teilmodifizierten Nanopartikel im Mikropartikel untersucht werden. Gerade f{\"u}r Nanopartikel mit einem geringen Modifizierungsgrad (1/10, 1/5 und 1/3) sind verschiedene Anordnungen m{\"o}glich. Die Nanopartikel k{\"o}nnen sich w{\"a}hrend der Spr{\"u}htrocknung so anordnen, dass sich die Alkylketten entweder nach außen oder in die Mitte des Mikropartikels orientieren/ausrichten. Die Anordnung der Nanopartikel hat einen großen Einfluss auf die Polarit{\"a}t der entstehenden Mikropartikel- pulver. Dar{\"u}ber hinaus hat sie einen Einfluss auf die Aggregation der Nanopartikel untereinander und somit auf die Bildung von komplexen Unterstrukturen wie zum Beispiel Kern-Satellit-Partikel. Neben der Modifizierung der Nanopartikel sollte die Herstellung der komplexen Strukturen/Suprapartikel weiter optimiert werden. Mit einem detaillierten Verst{\"a}ndnis der physikalischen Prozesse w{\"a}hrend der Spr{\"u}htrocknung k{\"o}nnte die Anzahl der Satelliten auf den Kernpartikel kontrollierter eingestellt werden. Grunds{\"a}tzlich kann das hier entwickelte System der nanostrukturierten Mikropartikel mit einstellbarem Zerfallsverhalten an eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden. Da das System f{\"u}r zahlreiche Partikeltypen (Silica-, Eisenoxid-NP und LDH) geeignet ist, k{\"o}nnten verschiedene Partikel ko-verspr{\"u}ht und so Suprapartikel mit ganz neuen Funktionalit{\"a}ten und Eigenschaften erzeugt werden. Diese k{\"o}nnen als verst{\"a}rkende F{\"u}llstoffe in Elastomere oder zur Stabilisierung von Dispersionen eingesetzt werden. Mischpartikel aus Silica- und Eisenoxid-Partikel h{\"a}tten zum Beispiel den Vorteil, dass sie eine Dispersion stabilisieren und gleichzeitig wieder magnetisch abgetrennt werden k{\"o}nnen. Diese Mischpartikel k{\"o}nnten auch als F{\"u}llstoffe in komplexe Kunststoffbauteile eingearbeitet werden, in denen sie zum einen als mechanisch verst{\"a}rkender F{\"u}llstoff wirken und gleichzeitig durch induktive Erw{\"a}rmung das Bauteil vernetzt. Beim induktiven Erw{\"a}rmen handelt es sich um eine schonende Methode Bauteile gezielt zu vernetzen, indem die W{\"a}rme im Bauteil selbst, {\"u}ber magnetische Verluste der Magnetpartikel in einem magnetischen Wechselfeld, erzeugt wird und nicht {\"u}ber seine Oberfl{\"a}che eingebracht werden muss. Eine weitere interessante Anwendung f{\"u}r Mischpartikel ist die als magnetooptisch aktiver Marker oder Tracer in der medizinischen Diagnostik. Aufgrund von Quenching-Effekten (Ausl{\"o}schungseffekte) ist es schwierig magnetische Nanopartikel mit einer Farbigkeit oder Fluoreszenz auszustatten.[385] Mischt man jedoch die magnetischen Nanopartikel mit einem weiteren Partikelsystem wie zum Beispiel Silica-NP oder LDHs, k{\"o}nnen magnetooptische Eigenschaften erhalten werden},
  subject      = {Mikropartikel},
  language  = {de}
}