Silica/polymer composite materials: synthesis, characterization and applications

Zhao, Yue; Möller, Martin (Thesis advisor); Albrecht, Markus (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Diese Dissertation befasst sich mit besonderen Verbundwerkstoffen auf Siliziumdioxidbasis, die durch Sol-Gel-Verfahren in Kombination mit tensidfreier Emulsionstechnik unter Verwendung verschiedener Derivate von hyperverzweigtem Polyethoxysiloxan (PEOS) sowohl als Siliziumdioxidvorläufer als auch als Emulgator hergestellt werden. Die Materialien werden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, Morphologie und Eigenschaften untersucht. Kapitel 2 bietet einen Literaturüberblick über Materialien auf Kieselsäurebasis, darunter Mikrokapseln, Aerogel und interpenetrierende Polymernetzwerke. Der Stand der Technik bei der Herstellung und Anwendung dieser Materialien wird zusammengefasst, und es werden Herausforderungen aufgezeigt. Kapitel 3 berichtet über einen Ein-Schritt-Ansatz zum Einschluss von Duftstoffen in mechanisch robusten Siliziumdioxidkapseln, bei dem ein Wachs, Myristylmyristat, als Matrix verwendet wird, um die Duftmoleküle aufzunehmen und ihre Verdunstung zu verzögern. Eine Ölphase, bestehend aus Wachs, Duftstoff und PEOS, wird aufgrund hydrolysebedingter Amphiphilie von PEOS in Wasser emulgiert. Das Wachs und der Duftstoff werden quantitativ in Siliziumdioxid, das aus PEOS hergestellt wurde, mikroverkapselt. Die resultierenden Mikrokapseln weisen Eigenschaften zur kontrollierten Freisetzung sowie hervorragende Wiederaufladeeigenschaften auf. In Kapitel 4 wird über eine neue Strategie zur Herstellung von SiO2/Poly(methylmethacrylat)-Hybridpartikeln mit einer semi-interpenetrierenden Polymernetzwerkstruktur berichtet, bei der intrinsisch amphiphiles PEGyliertes PEOS als Emulgator in der Heterophasenpolymerisation des entsprechenden Monomers verwendet wird. Nach der Entfernung des Polymers durch Kalzinierung können nanoporöse Silikapartikel mit einer großen spezifischen Oberfläche erhalten werden. Der Einfluss des Radikalinitiators, des PEGylierungsgrades des Silica-Vorläufers sowie dessen Anteil in der Ölphase auf den Polymerisationsmechanismus und die Morphologie der Produkte wurde untersucht. Kapitel 5 beschreibt die Herstellung von wärmeisolierenden Beschichtungen mit geschlossenen Nanoporen für textile Oberflächen durch Zugabe von nanoporösen Kieselsäure-Mikropartikeln (Aerogel-Partikel) zu handelsüblichen Filmbildnern. Durch Co-Kondensation von Tetraethoxysilan und Methyltrimethoxysilan und anschließende PEGylierung des Kondensationsprodukts wird ein Silica-Precursor gewonnen, der zu Silica-Aerogel-Partikel mit hydrophobem Inneren umgewandelt wird, die nicht nur in Wasser, sondern auch in polaren organischen Flüssigkeiten dispergierbar sind. Wässrige Formulierungen mit Polyacrylaten oder Polyurethanen werden durch Einmischen von Aerogelpartikeln in wässrige Polymerdispersionen hergestellt. Aerogelhaltiges Poly(vinylchlorid)-Plastisol wird durch Dispergieren des Polymerlatex und der Aerogelpartikel in einem Weichmacher hergestellt. Die Beschichtung eines Polyestergewebes erfolgt mit einem Walzenrakel und anschließender thermischer Fixierung. Es zeigt sich, dass die Aerogel-Partikel homogen in den Beschichtungen verteilt sind, während die nanoporöse Struktur erhalten bleibt. Die dem Beschichtungsmittel zugesetzten Partikel beeinflussen die Wärmestrahlung erheblich, was sich nicht nur in einer verringerten Strahlungstransmission und -absorption, sondern auch in einer erhöhten Strahlungsreflexion zeigt. Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Menge der zugesetzten Partikel zu. Darüber hinaus wird durch den Zusatz von 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyltriethoxysilan eine starke wasser- und ölabweisende Wirkung der Beschichtungen erreicht. Ein tensidfreies Miniemulsionspolymerisationsverfahren zur Herstellung von Hexadecan@Polystyrol@SiO2-Mikrokapseln wird in Kapitel 6 vorgestellt. Bei diesem Verfahren wird eine homogene Ölphase, bestehend aus Styrol, Hexadecan, PEOS oder seinen phenylsubstituierten Derivaten und einem radikalischen Initiator, in Wasser emulgiert, um eine Öl-in-Wasser-Miniemulsion zu bilden, und die Polymerisation findet beim Erhitzen statt. Um die gewünschte Morphologie zu erreichen, wurden verschiedene Strategien angewandt. Es hat sich gezeigt, dass Hexadecan@Polystyrol@SiO2-Mikrokapseln bei einem niedrigen Styrol/Hexadecan-Verhältnis oder wenn die wässrige Phase eine geringe Menge eines Radikalinhibitors enthält, gebildet werden. Diese Art von Mikrokapseln kann auch durch die Verwendung von phenylsubstituierten PEOS-Derivaten erhalten werden, die durch Co-Kondensation von Tetraethoxysilan und Trialkoxyphenylsilan anstelle von nicht modifiziertem PEOS hergestellt werden.