@phdthesis{Scherdel2009,
  author    = {Scherdel, Christian},
  title     = {Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie - Entwicklung neuartiger Syntheserouten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-45325},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Hochpor{\"o}se Kohlenstoffaerogele, die {\"u}ber den Sol-Gel-Prozeß auf der Basis von Resorzin und Formaldehyd hergestellt werden, sind Werkstoffe mit beeindruckenden physikalischen Eigenschaften. Leider werden bisher nur geringe Mengen an Kohlenstoffaerogelen produziert und aus Kostengr{\"u}nden auf g{\"u}nstigere Materialien mit vergleichsweise schlechteren Eigenschaften zur{\"u}ckgegriffen. Um diesen Nachteil zu nivellieren lag die Motivation der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung neuer Syntheserouten f{\"u}r Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie, wobei insbesondere auf kosteng{\"u}nstige Edukte und/oder einfache Prozessierung zur{\"u}ckgegriffen werden sollte. Als in Frage kommende Eduktsysteme wurden Zucker, sowie Hydroxybenzol-Formaldehyd-Derivate ausgew{\"a}hlt. Die hergestellten Kohlenstoffe wurden haupts{\"a}chlich mit Elektronenmikroskopie, Gassorption und R{\"o}ntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) charakterisiert. Um Fehlinterpretationen der experimentellen Daten f{\"u}r das neue Materialsystem zu vermeiden, war ein umfangreiches Wissen zu den Charakterisierungsmethoden und den diesen zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien notwendig. Kohlenstoffpulver basierend auf sph{\"a}rischen Resorzin-Formaldehyd Suspensionen und Sedimenten bilden eine v{\"o}llig neue M{\"o}glichkeit zur Erzeugung von Kohlenstoffnanokugeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb systematisch der Bereich der Syntheseparameter im RF-System zu den nicht-monolithischen Parameters{\"a}tzen hin vervollst{\"a}ndigt. Anhand der bestimmten Daten konnte diese Stoffklasse umfassend und detailliert charakterisiert und interpretiert werden. Die Partikelgr{\"o}ße h{\"a}ngt im Wesentlichen von der Katalysatorkonzentration und in geringerem Maße von der Eduktmenge in der Startl{\"o}sung ab. Die ermittelte untere Grenze der Partikelgr{\"o}ße aus stabilen kolloidalen Dispersionen betr{\"a}gt ca. 30 nm. Gr{\"o}ßere Partikel als 5 µm konnten trotz Modifikation der Syntheseroute nicht erzeugt werden. Eine Absch{\"a}tzung {\"u}ber den Aggregationsgrad der Kohlenstoffpulver wurde durchgef{\"u}hrt. Eine Beimischung von Phenol verringert in diesem System zum einen die Partikelgr{\"o}ße und erzeugt zunehmend nicht-sph{\"a}rische Strukturen. Die aus Gassorption, SAXS und dynamischer Lichtstreuung (DLS) ermittelten Partikelgr{\"o}ßen stimmen gut {\"u}berein. Bei der Pyrolyse schrumpfen die Partikel auf 84\% des Ausgangswerts (Partikeldurchmesser). Ein Fokus dieser Arbeit lag in der Herstellung por{\"o}ser Kohlenstoffe mit Phenol und Formaldehyd (PF) als Eduktbasis und unterkritischer Trocknung (Kohlenstoffxerogele). Um die Bandbreite der Eigenschaften der resultierenden Kohlenstoffxerogele zu erweitern, wurden zahlreiche Modifikationen der Syntheseparameter und im Herstellungsprozeß durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse zeigen, daß im Eduktsystem Phenol-Formaldehyd in w{\"a}ßriger L{\"o}sung mit Na2CO3 als basischem Katalysator prinzipiell por{\"o}se Xerogele herstellbar sind; allerdings verhindert eine ungew{\"o}hnliche Gelierkinetik (Flockenbildung statt Sol-Gel-{\"U}bergang) eine umfassende Interpretation des Systems, da die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht gew{\"a}hrleistet ist. Bei Phenol-Formaldehyd in w{\"a}ßriger L{\"o}sung und NaOH als Katalysator kommt es meist zu einem Kollabieren des Gelnetzwerks w{\"a}hrend der Trocknung. Lediglich bei hohem Formaldehyd{\"u}berschuß zeigt sich ein enger Bereich, in dem Xerogele mit geringer Dichte (rhomin = 0,22 g/cm3) und relevantem Mesoporenvolumen von bis zu 0,59 cm3/g synthetisierbar sind. Die interessanteste Kombination im PF-System ergibt sich mit HCl als Katalysator und n-Propanol als L{\"o}sungsmittel. Hier sind hochpor{\"o}se Kohlenstoffxerogele mit geringen Dichten (rhomin = 0,23 g/cm3) und f{\"u}r Xerogele sehr hoher Mesoporosit{\"a}t von bis zu Vmeso = 0,85 cm3/g m{\"o}glich. Damit ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen {\"u}ber konvektive Trocknung homogene hochpor{\"o}se Xerogel-Formk{\"o}rper auf PF-Basis zu synthetisieren. Aus der {\"U}berwachung des Sol-Gel-Prozesses mit Detektion der Soltemperatur konnten wichtige Erkenntnisse {\"u}ber exo- und endotherme Vorg{\"a}nge gewonnen werden. Zudem zeigt die Zeitabh{\"a}ngigkeit der Soltemperatur Gemeinsamkeiten f{\"u}r alle untersuchten Hydroxybenzol-Formaldehyd-Systeme. So kann der Gelpunkt der Ans{\"a}tze zuverl{\"a}ssig und auch reproduzierbar anhand eines zweiten lokalen Temperaturmaximums ermittelt werden, welches mit einer Gelpunktsenthalpie korreliert wird. Damit ist auch eine Prozeßkontrolle, z.B. f{\"u}r die Kombination mit Partikeltechnologien, m{\"o}glich. Die zugrundeliegenden Strukturbildungsmechanismen, Sol-Gel-Prozeß einerseits und Trocknung andererseits, wurden in-situ mittels SAXS beobachtet und anhand der gewonnenen Daten diskutiert und bewertet. Eine vollst{\"a}ndige Adaption des etablierten und akzeptierten Bildungsmechanismus von RF basierten Aerogelen (Partikelbildung aus Kondensationskeimen und Partikelwachstum) f{\"u}r das PF-System wird ausgeschlossen. Vielmehr scheint bei den untersuchten PF-Systemen auch eine Mikrophasenseparation als konkurrierender Prozeß zur Partikelbildung von Relevanz zu sein.},
  subject      = {Sol-Gel-Verfahren},
  language  = {de}
}