Synthese von funktionellen Pfropfcopolymeren und Mikrogelen auf Polyvinylalkoholbasis durch eine Cer(IV)-initiierte Pfropfpolymerisation

Palmer, Thorsten; Pich, Andrij (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Kolloidale, wässrige Mikrogelsysteme haben in den letzten Jahren aufgrund ihres breiten Anwendungsgebiets zunehmend an Bedeutung in der Forschung und Industrie gewonnen. Während das klassische Polymerisations-Schema von Mikrogelen durch die Fällungspolymerisation von Monomeren mit Vernetzer und Initiator-Molekülen erfolgt, zeigt diese Arbeit eine alternative Route zur Erstellung von thermo-responsiven Mikrogelen mit biomimetisch-katalytischer Aktivität auf. Diese Route nutzt als Edukt Polyvinylalkohol, ein biokompatibles Polymer, welches ein breites Anwendungsspektrum besitzt, Triethylenglykolethylethermethacrylat (TEGA) als polymerisierbares thermo-responsives Monomer und Ammoniumcer(IV)-nitrat als Redox-Initiator. Somit unterscheidet sich diese Methode grundlegend von den üblichen Syntheserouten. Dies wird darin begründet, dass die Mikrogele nicht ausschließlich aus Monomeren aufgebaut werden, diese ohne den Zusatz von Vernetzermolekülen auskommen und durch den Einsatz von Ammoniumcer(IV)-nitrat simultan katalytisch aktive CeO2-Nanopartikel im Mikrogel synthetisiert werden. Neben diesen Unterschieden weist diese Reaktionsführung weiter Vorteile auf. Durch den Einsatz eines Redox-Initiators kann die Polymersationsreaktion bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Übliche Initiatorsysteme, wie z.B. Azobis(isobutyronitril) (AIBN) benötigen Temperaturen um die 70°. Bei diesen Temperaturen liegen viele thermo- responsive Polymere wie unter anderem TEGA bereits im kollabierten Zustand vor. Durch den Einsatz von Redox-Initiatoren können Temperaturen unterhalb der Schalttemperatur gewählt werden. Dies führt zur Bildung von Pfropfpolymeren. Somit lässt sich bei der hier aufgeführten Syntheseroute mit Hilfe der Reaktionstemperatur die Morphologie der Produkte steuern, wahlweise können Mikrogele oder Pfropfpolymere synthetisiert werden. Die Arbeit ist in vier Kapitel aufgeteilt. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit der Synthese von thermo-responsiven PVA-g-TEGA Mikrogelen/Pfropfpolymeren. Hierbei wir qualitativ und quantitative der Umsatz bestimmt, welcher sich für Mikrogele und Pfropfpolymere drastisch unterscheidet. Kapitel zwei beschäftigt sich mit dem Verhalten der Mikrogele und Pfropfpolymeren in Wasser. Hierbei wird insbesondere das thermo-responsive Verhalten mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung (DLS) untersucht und die Unterschiede zwischen Mikrogelen und Pfropfpolymeren herausgestellt. Darüber hinaus wurden die unterschiedlichen Morphologien als Nachweis mittels AFM und STEM-Aufnahmen visualisiert. Die hierbei festgehaltenen CeO2-Nanopartikel wurden näher in Kapitel drei analysiert und auf ihre katalytische Aktivität hin getestet. Darüber hinaus konnte ein direkter Zusammenhang zwischen TEGA-Konzentration und Nanopartikel Wachstum aufgezeigt werden. Das letzte Kapitel widmet sich einer möglichen industriellen Anwendung von PVA g TEGA Pfropfpolymeren. Hierbei wurde aufgezeigt, dass sich PVA-Vliese mit TEGA postmodifizieren lassen. Diese Postmodifikation dient als Weichmacher und führt zu einer Änderung der haptischen Eigenschaften der PVA-Vliese. Dies könnte interessant für Textilen oder Wundauflagen auf PVA-Basis sein.