Water-borne self-assembled polymer/nanoclay-based nacre-mimetics with superior mechanical and functional properties

• Wasserbasierend, selbstorganisiernder Polymer/Schichtsilkat-Verbund zur Perlmuttmimetik mit herausragenden mechanischen und funktionellen Eigenschaften

Das, Paramita; Möller, Martin (Thesis advisor); Richtering, Walter (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Innerhalb dieser Arbeit werden die Herstellung und Charakterisierung von wasserbasierten selbstorganisierenden Polymer/Schichtsilikat-Kompositen zur Perlmuttmimetika mit hoher Ordnung zwischen den Schichten betrachtet. Diese werden zur Imitierung des Aufbaus von Perlmutt-Strukturen ("brick-and-mortar") genutzt und hieraus ein schneller, einfacher und skalierbarer Ansatz entwickelt, der zu großflächigen Filmen führt. Mittels konzentrationsabhängiger Selbstorganisation der Polymer-umhüllten Schichtsilikate, während des Verdampfens von Wasser, konnte gezeigt werden, dass eine hervorragende abwechselnde Anordnung von harten und weichen Lagen im Perlmuttmimetik erreicht werden kann. Ziel der Arbeit ist es zudem neben den Materialeigenschaften auch die Materialleistung durch die Entwicklung neuer Konzept zur Einführung weiterer Eigenschaften für zukünftige Ansätze voranzutreiben. Neue Eigenschaften können hierbei sein, z.B. Feuer- und Gasbarriere, oder anisotrope thermische, elektrische oder ionische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Transparenz der Filme. Hierfür sind zwei dimensionale (2D) Schichtsilikat-Filme hervorragend geeignet, da hier aufgrund der hohen Grenzfläche, nanoskaliger Dimensionen und variablen Aspektverhältnisse die Eigenschaften eingestellt werden können. In dieser Arbeit wurden einerseits mit synthetischen Schichtsilikaten mit unterschiedlichen Größen (25-3500 nm) als harte Phase gearbeitet, um den Einfluss der Größe der Schichtsilikate zu studieren. Andererseits wurden in Hinsicht von Nachhaltigkeit Materialien aus erneuerbaren Rohstoffen, wie z.B. Natriumcarboxymethylcellulose (CMC) und natürlich vorkommende Schichtsilikate (MTM), verwendet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass durch das Einbringen von ionischen supramolekularen Bindungen mechanische Eigenschaften selbst bei hoher Luftfeuchtigkeit erhalten bleiben. Im Laufe dieser Arbeit konnten neben der Entwicklung neuer Ansätze zur Herstellung und Charakterisierung der besonderen Eigenschaften von Nanokompositfilmen gezeigt werden, als auch weiterführend ein Ansatz zur Herstellung von Perlmutt-inspirierten Hybridmaterialien, die auf Textilien aufgebracht, amphiphobe Eigenschaften aufweisen, die dem Lotus-Effekt ähneln.