Syntheses, Characterizations and Applications of Zinc Peroxide Nanoparticles

• Synthesen, Charakterisierungen und Anwendungen von Zinkperoxid-Nanopartikeln

Bergs, Christian; Pich, Andrij (Thesis advisor); Elling, Lothar (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden Zinkperoxid-Nanopartikel sowohl mit Hilfe eines Hochdruck-Reaktors (Microfluidizer), als auch mittels klassischer Kolbenreaktionen synthetisiert und in-situ stabilisiert bzw. funktionalisiert. Dabei kamen sechs verschiedenen Stabilisatoren zum Einsatz: BMEP, o-PEA, Citrat, Glucose-1-Phosphat, UDP-Glucose sowie AOT. Diese interagierten mit der Partikeloberfläche mittels ihrer Phosphat-, Carboxylat- und Sulfonat-Funktionen, was zur Stabilisierung der Nanopartikel führte, während ihre übrigen Funktionen (Metharylate, Amine, Carboxylate, Glucosen) zur Funktionalisierung der Partikeloberfläche dienten. Alle Syntheseansätze resultierten in kleinen und monodispersen Nanopartikeln, wobei die Durchmesser zwischen 2.1±0.6 und 14.4±5.2 nm variierten, abhängig von Parametern wie z.B. Reaktionszeit, Stabilisator-Art bzw. Konzentration. Weiter konnte nachgewiesen werden, dass die synthetisierten Nanopartikel in der Lage waren Sauerstoff freizusetzten. Die Freisetzung konnte sowohl durch erhöhte Temperaturen (T>190.0 °C) als auch durch ein saures wässriges Dispersions-Milieu (pH<7.4) induziert werden, und war abhängig von der Größe der Nanopartikel, der Probenzusammensetzung und dem pH-Wert der jeweiligen Messlösungen.Diese spezielle Eigenschaft der Nanopartikel ermöglichte ihren Einsatz sowohl als Bleichmittel für recyceltes PET als auch als antibakterieller Agent gegen anaerobe Bakterien. PET vergraut zunehmend während des Recycling-Prozesses durch die Reduktion von Katalysatorresten innerhalb des PET. Das Einbringen der Nanopartikel während des Recycling-Prozesses hatte zur Folge, dass der freiwerdende Sauerstoff (temperatur-induziert) die Katalysatorreste oxidierte was einen Farbumschlag der Katalysatorreste von schwarz nach weiß bewirkte. Zusätzlich lagen die Zinkperoxide-Nanopartikel nach dem Sauerstoff-Release als Zinkoxid-Partikel vor, die als Weißpigmente ebenfalls zur Weißgradverbesserung des PET beitrugen. Es konnte gezeigt werden, dass die Farbverbesserung von der Art des Nanopartikel-Stabilisators, von der Partikelgröße und von der Menge an eingebrachten Partikeln abhing. Weiter konnten die antibakteriellen Eigenschaften der biofunktionalisierten Nanopartikel (Glucose-1-Phosphat, UDP-Glucose) nachgewiesen werden. Die Wirkung gegen verschiedene Bakterien wie z.B. Enterococcus faecalis, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Porphyromonas gingivalis und Prevotella intermedia wurde mittels der minimalen Inhibitions-Konzentration (MIK) bestimmt und quantifiziert. Dabei war der antibakterielle Effekt größer, je empfindlicher die jeweiligen Bakterien gegen Sauerstoff waren und je höher die Nanopartikel-Konzentration war.Des Weiteren konnten die o-PEA- und Citrat-stabilisierten Nanopartikel ebenfalls in PVCL/GMA- bzw. PNIPAm-Mikrogele eingelagert werden. Die Immobilisierung der ZnO2/o-PEA-Nanopartikel erfolgte dabei mittels Chemisorption, während die ZnO2/Citrat-Nanopartikel mittels Physisorption verankert wurden. Die Menge an immobilisierten Nanopartikeln konnte durch variierende Reaktanten-Verhältnisse beeinflusst werden, wodurch sich ebenfalls die hydrodynamischen Radien der beladenen Mikrogele beeinflussen ließen. Mittels dieser Synthese konnten thermoresponsive, Sauerstoff-freisetzende Komposite synthetisiert werden.