Hierarchisch poröse monolithische Polymere: Porenstabilität und Anwendung
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden mesoporöse Polystyrol- und Polyacrylatnetzwerke variierender Netzwerkdichte hergestellt und mit verschiedensten Techniken (Gassorption, Röntgenstreuung, Kryoporometrie u.a.) untersucht. Zur Herstellung der Systeme wurde ein effektiver Syntheseweg erarbeitet. Silikananopartikel konnten sowohl für die Herstellung mesoporöser Polystyrole als auch Polyacrylate als Templat genutzt werden. Die Polymernetzwerke wiesen Poren von ca. 10 – 25 nm Größe auf und dementsprechend große Oberflächen von bis zu 225 m2g-1. Materialien mit großen spezifischen Oberflächen sind von hohem technologischen Interesse, z.B. um Trennprozesse effektiver zu gestalten oder auch als Katalysatorträger. Generell sind Poren dieser Größenordnung jedoch energetisch ungünstig und fallen zusammen, sofern das Polymer nicht hinreichend stabil ist. Der Porenzusammenfall wurde in Abhängigkeit von molekularen Parametern (z.B. Vernetzungsdichte) und externen Parametern (Temperatur, Quellung) im Rahmen des Projekts genau untersucht und es konnten neue, teils überraschende Erkenntnisse gewonnen werden. Im Falle der mesoporösen Polystyrole wurde eine Zunahme der Porengröße mit abnehmender Vernetzungsdichte gefunden. Dies sowie weitere Untersuchungen an unvernetzem, mesoporösem Polystyrol deuteten daraufhin, dass dynamische Vorgänge auch unterhalb der Glastemperatur (vergleichbar dem kaltem Fluß) eine wesentliche Rolle spielen. Die Porenstabilität gegenüber Lösungsmitteleinfluß zeigte ein kritisches Verhalten, d.h. unterhalb eines Vernetzergehalts von 20 Gew.-%. konnte keine permanente Porosität nachgewiesen werden, während oberhalb dieser Konzentration die Poren eine konstante Größe hatten. Es gab Hinweise auf das Vorhandensein einer geschlossenen oder reversiblen Porosität. Um dieses Phänomen genauer zu untersuchen wurden mesoporöse, nichtionische Polyacrylathydrogele synthetisiert. Dabei wurde derselbe Templatierungsansatz verwendet, welcher schon für die Synthese der mesoporösen Polystyrole genutzt werden konnte, was die Universalität des Ansatzes aufzeigt. Die Gele wurden sowohl auf ihre Porosität im trockenen Zustand als auch im gequollenen Zustand untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Porenzusammenfall tatsächlich reversibel ist, d.h. Proben, welchen im trockenen Zustand keinerlei Porosität mittels Gassorption bzw. Kleinwinkelröntgen-streuung nachgewiesen werden konnte, zeigten Mesoporosität nachdem sie wieder in Wasser gequollen wurden. Dabei scheint die Porengröße immer noch vom Templat diktiert, was einer Art Formgedächtniseffekt entsprechen würde. Zusammenfassend konnten im Rahmen des Projekts wichtige Erkenntnisse bzgl. der Mesoporenstabilität in Polymeren gewonnen werden. Die Synthese bimodal poröser Systeme konnte jedoch noch nicht verwirklicht werden, kann jedoch aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit anvisiert werden. Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften konnte im Rahmen des Projekts leider noch nicht verwirklicht werden und bleibt eine Zielstellung für weitere Untersuchungen.
Publications
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“Impact of Cross-linking Density and Glassy Chain Dynamics on Pore Stability in Mesoporous Poly(styrene)”, Macromolecules 2009, 42, 8234-8240
J. Weber and L. Bergström
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„Mesoporous, Cross-Linked Poly(styrene)s and Poly(acrylates) – Enlightning Finer Details of Mesopore Stability“, 8th APME, Dresden, Germany, 04.-07.10.2009
J. Weber and L. Bergström
