Herstellung hybrider Hydrogele aus anorganischen Nanopartikeln beschichtet mit hydrophilen, kovalent gebundenen Polymeren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mechanische Beanspruchung von Quarzpartikeln führt zur Bildung freier Radikale an den Partikeloberflächen. Die freien Radikale können mit Matrixbestandteilen (z. B. Lösungsmittel, Mahladditive) reagieren, was zur kovalenten Anbindung der Matrixbestandteile an den Quarzpartikeln führt. Die Kinetik der Radikalbildung bei der Nasszerkleinerung von Quarz wurde mit Hilfe von Diphenylpicrylhydrazyl (DPPH) untersucht. Die Radikalbildung bei der Nasszerkleinerung von Quarz ist ein Prozess 0. Ordnung. Partikelbruch liefert einen deutlich höheren Beitrag zur Radikalbildung als mechanische Aktivierung der Partikeloberflächen. Die Radikalbildung bei der Mahlung von Quarz und Aluminiumoxid wurde zur Initiierung von Polymerisationsreaktionen hydrophiler Monomere (Vinylpyrrolidon, Acrylsäure sowie Acrylamid) genutzt. Dabei wurden mit Polymer funktionalisierte Partikel erhalten. Mit dem Ziel, die auf den Partikeln gebildete Polymermenge zu maximieren und dabei möglichst kleine Partikel zu erhalten, wurden für die Mahlung von Quarz in Gegenwart von Vinylpyrrolidon Parameterstudien durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die nach gegebener Mahldauer auf den Partikeln gebildete Polymermenge mit zunehmender Monomerkonzentration sowie mit abnehmender Quarzkonzentration in der Suspension zunimmt. Zudem kann der Zusatz klassischer Polymerisationsinitiatoren die auf den Partikeln gebildete Polymermenge steigern. Die über die spezifische Oberfläche der gemahlenen Quarzpartikel berechnete Primärpartikelgröße liegt bei ca. 50 nm. Mit Hilfe dynamischer Lichtstreuung konnten Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 70 nm detektiert werden (nach Abtrennung grober Bestandteile). Damit liefert Mahlung von Quarz in Vinylpyrrolidon tatsächlich Nanopartikel. Allerdings weisen die gemahlenen Quarzpartikel eine breite Partikelgrößenverteilung auf. Mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) funktionalisierte SiO2-Nanopartikel mit enger Partikelgrößenverteilung konnten durch Beanspruchung kommerzieller SiO2-Nanopartikel in einer Labor-Rührwerkskugelmühle in Gegenwart von Vinylpyrrolidon erhalten werden. Zudem führte Mahlung von Aluminiumoxid in Gegenwart von Acrylamid zu funktionalisierten Partikeln mit Mediandurchmessern x50,3 von ca.70 nm. Die mit PVP funktionalisierten SiO2-Partikel wurden als Füllstoffe für Hydrogele auf der Basis von Polyhydroxyethylmethacrylat verwendet. Bei hohen Füllgraden (20 Gew.%) verbessern die Füllstoffe die maximale Wasserabsorption der Polymerproben nennenswert. Das Freisetzungsverhalten der Hydrogelproben wurde am Beispiel von Methylenblau untersucht. Die Farbstoff-Freisetzung ist ein diffusionskontrollierter Prozess und wird durch die Füllstoffpartikel nicht beeinträchtigt. Wie erwartet, erhöhen SiO2-Partikel die mechanische Festigkeit der Polymerproben (verstärkende Wirkung). Bei gleichem Füllgrad nimmt die verstärkende Wirkung der SiO2-Partikel mit abnehmender Teilchengröße deutlich zu. Die Verwendung von PVP-funktionalisierten SiO2-Nanopartikeln als Füllstoff gestattet daher die Herstellung von Polyhydroxyethylmethacrylatproben mit verbesserter Steifigkeit und erhöhter Quellfähigkeit ohne negative Beeinflussung des Freisetzungsverhaltens.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mechanochemical modification of silica with poly(1-vinyl-2-pyrrolidone) by grinding in a stirred media mill, Journal of Applied Polymer Science 104 (2007) 3708-3714
I. A. Voronov, A. Kohut, A. Synytska, W. Peukert
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Initiation of chemical reactions by mechanochemically formed free radicals, 12th European Conference on Comminution and Classification, Helsinki, September 2009
C. Damm, M. R. Mallembakam, W. Peukert
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Kinetics of radical formation during mechanical activation of quartz, Langmuir 25 (2009) 2264-2270
C. Damm, W. Peukert
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Mechanochemical polymerization initiation during wet grinding of inorganic materials, Core-to-Core Workshop on Advanced Particle Science and Engineering, York/Leeds, Dezember 2009
C. Damm, W. Peukert
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Mechanochemische Veränderungen bei der Nasszerkleinerung von SiO2, Fachausschuss Zerkleinern, Mettmann, Februar 2009
C. Damm, P.-S. Lam, M. R. Mallembakam, W. Peukert
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Effect of grinding conditions on mechanochemical grafting of poly(1-vinyl-2-pyrrolidone) onto quartz particles, Advanced Powder Technology 21 (2010) 50-56
C. Damm, M. R. Mallembakam, W. Peukert
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Properties of reinforced hydrogels prepared by mechanochemical polymerization initiation, 6th World Congress on Particle Technology (WCPT6), Nürnberg, April 2010
C. Damm, W. Peukert
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Production of filled hydrogels by mechanochemically induced polymerization, Journal of Applied Polymer Science
C. Damm, M. R. Mallembakam, A. Voronov, W. Peukert
