TY  - THES
A1  - Fechler, Nina
T1  - Salts as highly diverse porogens : functional ionic liquid-derived carbons and carbon-based composites for energy-related applications
T1  - Salze als vielfältige Porogene : funktionelle, ionische Flüssigkeiten basierte Kohlenstoffe und Kohlenstoff basierte Komposite für Energieanwendungen
N2  - The present thesis is to be brought into line with the current need for alternative and sustainable approaches toward energy management and materials design. In this context, carbon in particular has become the material of choice in many fields such as energy conversion and storage. Herein, three main topics are covered: 1)An alternative synthesis strategy toward highly porous functional carbons with tunable porosity using ordinary salts as porogen (denoted as “salt templating”) 2)The one-pot synthesis of porous metal nitride containing functional carbon composites 3)The combination of both approaches, enabling the generation of highly porous composites with finely tunable properties All approaches have in common that they are based on the utilization of ionic liquids, salts which are liquid below 100 °C, as precursors. Just recently, ionic liquids were shown to be versatile precursors for the generation of heteroatom-doped carbons since the liquid state and a negligible vapor pressure are highly advantageous properties. However, in most cases the products do not possess any porosity which is essential for many applications. In the first part, “salt templating”, the utilization of salts as diverse and sustainable porogens, is introduced. Exemplarily shown for ionic liquid derived nitrogen- and nitrogen-boron-co-doped carbons, the control of the porosity and morphology on the nanometer scale by salt templating is presented. The studies within this thesis were conducted with the ionic liquids 1-Butyl-3-methyl-pyridinium dicyanamide (Bmp-dca), 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium dicyanamide (Emim-dca) and 1 Ethyl 3-methyl-imidazolium tetracyanoborate (Emim-tcb). The materials are generated through thermal treatment of precursor mixtures containing one of the ionic liquids and a porogen salt. By simple removal of the non-carbonizable template salt with water, functional graphitic carbons with pore sizes ranging from micro- to mesoporous and surface areas up to 2000 m2g-1 are obtained. The carbon morphologies, which presumably originate from different onsets of demixing, mainly depend on the nature of the porogen salt whereas the nature of the ionic liquid plays a minor role. Thus, a structural effect of the porogen salt rather than activation can be assumed. This offers an alternative to conventional activation and templating methods, enabling to avoid multiple-step and energy-consuming synthesis pathways as well as employment of hazardous chemicals for the template removal. The composition of the carbons can be altered via the heat-treatment procedure, thus at lower synthesis temperatures rather polymeric carbonaceous materials with a high degree of functional groups and high surface areas are accessible. First results suggest the suitability of the materials for CO2 utilization. In order to further illustrate the potential of ionic liquids as carbon precursors and to expand the class of carbons which can be obtained, the ionic liquid 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium thiocyanate (Emim-scn) is introduced for the generation of nitrogen-sulfur-co-doped carbons in combination with the already studied ionic liquids Bmp-dca and Emim-dca. Here, the salt templating approach should also be applicable eventually further illustrating the potential of salt templating, too. In the second part, a one-pot and template-free synthesis approach toward inherently porous metal nitride nanoparticle containing nitrogen-doped carbon composites is presented. Since ionic liquids also offer outstanding solubility properties, the materials can be generated through the carbonization of homogeneous solutions of an ionic liquid acting as nitrogen as well as carbon source and the respective metal precursor. The metal content and surface area are easily tunable via the initial metal precursor amount. Furthermore, it is also possible to synthesize composites with ternary nitride nanoparticles whose composition is adjustable by the metal ratio in the precursor solution. Finally, both approaches are combined into salt templating of the one-pot composites. This opens the way to the one-step synthesis of composites with tunable composition, particle size as well as precisely controllable porosity and morphology. Thereby, common synthesis strategies where the product composition is often negatively affected by the template removal procedure can be avoided. The composites are further shown to be suitable as electrodes for supercapacitors. Here, different properties such as porosity, metal content and particle size are investigated and discussed with respect to their influence on the energy storage performance. Because a variety of ionic liquids, metal precursors and salts can be combined and a simple closed-loop process including salt recycling is imaginable, the approaches present a promising platform toward sustainable materials design.
N2  - Die vorliegende Arbeit basiert auf der Notwendigkeit für eine alternative und nachhaltige Energiewirtschaft sowie alternativer Herstellungsmethoden der damit verbundenen Materialien. Hierbei kommt besonders Kohlenstoffen und kohlenstoffbasierten Systemen eine hohe Bedeutung zu. Im Rahmen der Dissertation wurden drei Ansätze verfolgt, die zu der Entwicklung alternativer Strategien zur Herstellung poröser Heteroatom-enthaltender Kohlenstoffe und deren Komposite beitragen. Die Materialien wurden des Weiteren für die CO2 Nutzung sowie Energiespeicherung in Form von Superkondensatoren getestet. Allen Materialien ist gemeinsam, dass sie ausgehend von ionischen Flüssigkeiten, Salze mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C, als Kohlenstoffvorstufe durch Hochtemperaturverfahren hergestellt wurden. Im ersten Teil wird ein alternatives und nachhaltiges Verfahren zur Herstellung hochporöser Stickstoff und Stickstoff-Bor-haltiger Kohlenstoffe vorgestellt. Bei dieser als „Salztemplatierung“ bezeichneten Methode werden herkömmliche Salze als Porogen verwendet. Damit sind sehr hohe Oberflächen erreichbar, die neben der Porengröße und dem Porenvolumen durch die Variation der Salzspezies und Salzmenge einstellbar sind. Dies bietet gegenüber herkömmlichen Templatierungsverfahren den Vorteil, dass das Salz nach erfolgter Karbonisierung der ionischen Flüssigkeit in Anwesenheit der nicht karbonisierbaren Salzspezies einfach mit Wasser auswaschbar ist. Hierbei ist ein Recyclingprozess denkbar. Bei hohen Synthesetemperaturen werden graphitische, bei niedrigen hochfunktionalisierte, polymerartige Produkte erhalten. Letztere erwiesen sich als vielversprechende Materialien für die CO2 Nutzung. Unter Verwendung einer bisher nicht eingesetzten ionische Flüssigkeit konnte weiterhin die Einführung von Schwefel als Heteroatom ermöglicht werden. Im zweiten Teil wird eine Templat-freie Einschrittsynthese von porösen Kompositen aus Metallnitrid Nanopartikeln und Stickstoff-dotiertem Kohlenstoff vorgestellt. Die Materialien werden ausgehend von einer Lösung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Metallvorläufer hergestellt, wobei die ionische Flüssigkeit sowohl als Kohlenstoffvorläufer als auch als Stickstoffquelle für die Metallnitride dient. Der Metallgehalt, das Metallverhältnis in ternären Nitriden und die Oberfläche sind über den Anteil des Metallvorläufers einstellbar. Schließlich werden beide Ansätze zur Salztemplatierung von den Kompositen kombiniert. Dadurch wird die Einschrittsynthese von Kompositen mit einstellbarer Oberfläche, Zusammensetzung, Partikelgröße und Morphologie ermöglicht. Diese Materialien wurden schließlich als Elektroden für Superkondensatoren getestet und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Aufgrund verschiedener Kombinationsmöglichkeiten von ionischen Flüssigkeiten, Metallvorläufern und Salzen, stellen die hier präsentierten Ansätze eine vielversprechende Plattform für die nachhaltige Materialsynthese dar.
KW  - Salze
KW  - Poröse Materialien
KW  - Heteroatom-dotierte Kohlenstoffe
KW  - Metallnitrid-Kohlenstoff Komposite
KW  - Superkondensator
KW  - Salts
KW  - porous materials
KW  - heteroatom-doped carbons
KW  - metal nitride carbon composites
KW  - supercapacitors
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64775
ER  - 
TY  - THES
A1  - Borisova, Dimitriya
T1  - Feedback active coatings based on mesoporous silica containers
T1  - Rückkopplungsaktive Beschichtungen basierend auf mesoporösen Silika-Behältern
N2  - Metalle werden oft während ihrer Anwendung korrosiven Bedingungen ausgesetzt, was ihre Alterungsbeständigkeit reduziert. Deswegen werden korrosionsanfällige Metalle, wie Aluminiumlegierungen mit Schutzbeschichtungen versehen, um den Korrosionsprozess aktiv oder passiv zu verhindern. Die klassischen Schutzbeschichtungen funktionieren als physikalische Barriere zwischen Metall und korrosiver Umgebung und bieten einen passiven Korrosionsschutz nur, wenn sie unbeschädigt sind. Im Gegensatz dazu kann die Korrosion auch im Fall einer Beschädigung mittels aktiver Schutzbeschichtungen gehemmt werden. Chromathaltige Beschichtungen bieten heutzutage den besten aktiven Korrosionsschutz für Aluminiumlegierungen. Aufgrund ihrer Giftigkeit wurden diese weltweit verboten und müssen durch neue umweltfreundliche Schutzbeschichtungen ersetzt werden. Ein potentieller Ersatz sind Schutzbeschichtungen mit integrierten Nano- und Mikrobehältern, die mit ungiftigem Inhibitor gefüllt sind. In dieser Arbeit werden die Entwicklung und Optimierung solcher aktiver Schutzbeschichtungen für die industriell wichtige Aluminiumlegierung AA2024-T3 dargestellt Mesoporöse Silika-Behälter wurden mit dem ungiftigen Inhibitor (2-Mercaptobenzothiazol) beladen und dann in die Matrix anorganischer (SiOx/ZrOx) oder organischer (wasserbasiert) Schichten dispergiert. Zwei Sorten von Silika-Behältern mit unterschiedlichen Größen (d ≈ 80 and 700 nm) wurden verwendet. Diese haben eine große spezifische Oberfläche (≈ 1000 m² g-1), eine enge Porengrößenverteilung mit mittlerer Porenweite ≈ 3 nm und ein großes Porenvolumen (≈ 1 mL g-1). Dank dieser Eigenschaften können große Inhibitormengen im Behälterinneren adsorbiert und gehalten werden. Die Inhibitormoleküle werden bei korrosionsbedingter Erhöhung des pH-Wertes gelöst und freigegeben. Die Konzentration, Position und Größe der integrierten Behälter wurden variiert um die besten Bedingungen für einen optimalen Korrosionsschutz zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass eine gute Korrosionsschutzleistung durch einen Kompromiss zwischen ausreichender Inhibitormenge und guten Barriereeigenschaften hervorgerufen wird. Diese Studie erweitert das Wissen über die wichtigsten Faktoren, die den Korrosionsschutz beeinflussen. Somit wurde die Entwicklung effizienter, aktiver Schutzbeschichtungen ermöglicht, die auf mit Inhibitor beladenen Behältern basieren.
N2  - Metals are often used in environments that are conducive to corrosion, which leads to a reduction in their mechanical properties and durability. Coatings are applied to corrosion-prone metals such as aluminum alloys to inhibit the destructive surface process of corrosion in a passive or active way. Standard anticorrosive coatings function as a physical barrier between the material and the corrosive environment and provide passive protection only when intact. In contrast, active protection prevents or slows down corrosion even when the main barrier is damaged. The most effective industrially used active corrosion inhibition for aluminum alloys is provided by chromate conversion coatings. However, their toxicity and worldwide restriction provoke an urgent need for finding environmentally friendly corrosion preventing systems. A promising approach to replace the toxic chromate coatings is to embed particles containing nontoxic inhibitor in a passive coating matrix. This work presents the development and optimization of effective anticorrosive coatings for the industrially important aluminum alloy, AA2024-T3 using this approach. The protective coatings were prepared by dispersing mesoporous silica containers, loaded with the nontoxic corrosion inhibitor 2-mercaptobenzothiazole, in a passive sol-gel (SiOx/ZrOx) or organic water-based layer. Two types of porous silica containers with different sizes (d ≈ 80 and 700 nm, respectively) were investigated. The studied robust containers exhibit high surface area (≈ 1000 m² g-1), narrow pore size distribution (dpore ≈ 3 nm) and large pore volume (≈ 1 mL g-1) as determined by N2 sorption measurements. These properties favored the subsequent adsorption and storage of a relatively large amount of inhibitor as well as its release in response to pH changes induced by the corrosion process. The concentration, position and size of the embedded containers were varied to ascertain the optimum conditions for overall anticorrosion performance. Attaining high anticorrosion efficiency was found to require a compromise between delivering an optimal amount of corrosion inhibitor and preserving the coating barrier properties. This study broadens the knowledge about the main factors influencing the coating anticorrosion efficiency and assists the development of optimum active anticorrosive coatings doped with inhibitor loaded containers.
KW  - Korrosion
KW  - Beschichtungen
KW  - Aluminiumlegierung
KW  - Silika
KW  - Nanopartikel
KW  - mesoporös
KW  - corrosion
KW  - coating
KW  - aluminum alloy
KW  - silica nanoparticles
KW  - mesoporous
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63505
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TY  - THES
A1  - Zenichowski, Karl
T1  - Quantum dynamical study of Si(100) surface-mounted, STM-driven switches at the atomic and molecular scale
T1  - Quantendynamische Untersuchung von Si(100) Oberflächen-gebundenen, STM-gesteuerten atomaren und molekularen Schaltern
N2  - The aim of this thesis is the quantum dynamical study of two examples of scanning tunneling microscope (STM)-controllable, Si(100)(2x1) surface-mounted switches of atomic and molecular scale. The first example considers the switching of single H-atoms between two dangling-bond chemisorption sites on a Si-dimer of the Si(100) surface (Grey et al., 1996). The second system examines the conformational switching of single 1,5-cyclooctadiene molecules chemisorbed on the Si(100) surface (Nacci et al., 2008). The temporal dynamics are provided by the propagation of the density matrix in time via an according set of equations of motion (EQM). The latter are based on the open-system density matrix theory in Lindblad form. First order perturbation theory is used to evaluate those transition rates between vibrational levels of the system part. In order to account for interactions with the surface phonons, two different dissipative models are used, namely the bilinear, harmonic and the Ohmic bath model. IET-induced vibrational transitions in the system are due to the dipole- and the resonance-mechanism. A single surface approach is used to study the influence of dipole scattering and resonance scattering in the below-threshold regime. Further, a second electronic surface was included to study the resonance-induced switching in the above-threshold regime. Static properties of the adsorbate, e.g., potentials and dipole function and potentials, are obtained from quantum chemistry and used within the established quantum dynamical models.
N2  - Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit kleinsten schaltbaren Einheiten in Form des Moleküls Cyclooctadien (COD) und dem Wasserstoff-Atom, die chemisch fest mit einer Oberfläche aus kristallinem Silizium verbunden sind. Jeder dieser Schalter kann mittels einer winzigen Spitze, eines so genannten Rastertunnelmikroskops (RTM), von atomarem Durchmesser in zwei unterscheidbare und stabile Schaltpositionen gebracht werden. Dabei besteht das Schalten entweder in einer Änderung der Geometrie des molekularen Schalters oder im Brechen und Neu-knüpfen chemischer Bindungen. Dabei ist es entscheidend, dass durch die geringe Grösse dieser Schalter eine hohe Anzahl dieser Schalter auf einer Oberfläche deponiert werden können. Mit der in den Schaltern speicherbaren Informationen an oder aus, 0 oder 1 ließen sich sehr hohe Speicherkapazitäten erreichen. Vor einer Anwendung dieser Art ist es wichtig zunächst ein grundlegendes Verständnis der Schaltprozesse auf der Oberfläche zu gewinnen. Wenn alle wesentlichen Faktoren berücksichtigt wurden und der Mechanismus des Schaltens verstanden ist, kann das Ergebnis des Experiments mit Hilfe eines theoretischen Modells vorhergesagt werden. Für die Handhabbarkeit muss sich das theoretisches Modell auf wesentliche Einflüsse beschränken und diese so einfach wie möglich beschreiben. So wurde die simultane Bewegung der 12 Atome des COD in die Bewegung eines gemittelten Massenpunktes entlang von einer oder von zwei räumlichen Freiheitsgraden übersetzt. Dabei kann der Massenpunkt im klassischen Bild anschaulich als eine rollende Kugel beschrieben werden, die in einer Seite einer Doppelmulde gefangen ist. Die Kugel kann durch äußere Anregung zum Schwingen gebracht werden und schließlich über eine Barriere in die benachbarte Mulde schalten. Nun muss die Schwingung der Kugel gebremst werden, um ein Zurück-Schwingen der Kugel zu verhindern. Die Anregung erfolgt durch elektrische Ladungen die von der Spitze des RTM zur Oberfläche wandern oder durch eine schwingende, d.h. warme Oberfläche. Das Bremsen wird über die elastische Bindung zu einer kalten Oberfläche vermittelt. Um Quanteneffekte wie das Tunneln der Kugel durch die Barriere zu beschreiben wurde die Kugel durch ein Wellenpaket beschrieben und dessen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Doppelmulde untersucht. Im Fall des Wasserstoffatoms war die experimentelle Prüfung des entworfenen Modells für ein Schalten bei starkem Strom leider nicht möglich. Für das COD Molekül konnte jedoch nicht nur die Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden, sondern im Fall des Schaltens in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur auch die Vorhersagefähigkeit des Modells unter Beweis gestellt werden.
KW  - Kerndynamik
KW  - molekulare Schalter
KW  - Nanotechnologie
KW  - STM
KW  - Oberflächen
KW  - Quantum dynamics
KW  - molecular switches
KW  - nanotechnology
KW  - STM
KW  - surfaces
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62156
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TY  - THES
A1  - Jeromenok, Jekaterina
T1  - Polymers from the natural product betulin : a microstructural investigation
T1  - Polymere aus dem Naturstoff Betulin und Untersuchungen ihrer Mikrostruktur
N2  - Porous materials (e.g. zeolites, activated carbon, etc.) have found various applications in industry, such as the use as sorbents, catalyst supports and membranes for separation processes. Recently, much attention has been focused on synthesizing porous polymer materials. A vast amount of tailor-made polymeric systems with tunable properties has been investigated. Very often, however, the starting substances for these polymers are of petrochemical origin, and the processes are all in all not sustainable. Moreover, the new polymers have challenged existing characterizing methodologies. These have to be further developed to address the upcoming demands of the novel materials. Some standard techniques for the analysis of porous substances like nitrogen sorption at 77 K do not seem to be sufficient to answer all arising questions about the microstructure of such materials. In this thesis, microporous polymers from an abundant natural resource, betulin, will be presented. Betulin is a large-scale byproduct of the wood industry, and its content in birch bark can reach 30 wt.%. Based on its rigid structure, polymer networks with intrinsic microporosity could be synthesized and characterized. Apart from standard nitrogen and carbon dioxide sorption at 77 K and 273 K, respectively, gas sorption has been examined not only with various gases (hydrogen and argon) but also at various temperatures. Additional techniques such as X-ray scattering and xenon NMR have been utilized to enable insight into the microporous structure of the material. Starting from insoluble polymer networks with promising gas selectivities, soluble polyesters have been synthesized and processed to a cast film. Such materials are feasible for membrane applications in gas separation. Betulin as a starting compound for polyester synthesis has aided to prepare, and for the first time to thoroughly analyse a microporous polyester with respect to its pores and microstructure. It was established that nitrogen adsorption at 87 K can be a better method to solve the microstructure of the material. In addition to that, other betulin-based polymers such as polyurethanes and polyethylene glycol bioconjugates are presented. Altogether, it has been shown that as an abundant natural resource betulin is a suitable and cheap starting compound for some polymers with various potential applications.
N2  - Das Bestreben, ölbasierte Produkte durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen, hat dazu geführt, dass in immer größerer Zahl günstige, reichlich vorhandene Naturstoffe als Ausgangsstoffe für chemische Synthesen untersucht werden. In dieser Arbeit werden Polymere auf Basis von Betulin, einem aus Birkenrinde extrahierten Naturstoff, vorgestellt. Betulin ist zu 30 Gewichtsprozent in Birkenrinde enthalten. Da Betulin ein Nebenprodukt der Holzindustrie ist, ist es kostengünstig und sein Einsatz als Ausgangsstoff äußerst lukrativ. Die ersten Berichte über Betulin-basierte Polymere sind in den 1980er Jahren in Russland und Finnland erschienen, in den Ländern mit großen natürlichen Vorkommen an Birken. Betulin wurde in dieser Arbeit verwendet, um sogenannte mikroporöse Polymere herzustellen. Dies sind Stoffe mit Poren von molekularer Dimension. Mikroporöse Materialien sind wegen ihrer potentiellen Anwendung als Katalysatorträger und Gasseparationsmembranen hochinteressant. Die Klasse mikroporöser Polymere wurde durch die Synthese von unlöslichen Betulin-basierten Polyesternetzwerken erweitert. Außerdem gelang es, lösliche Polyester in Form dünner Filme herzustellen. Diese zeigten vielversprechende Ergebnisse in der Trennung von Stickstoff und Kohlendioxid und weisen somit Potential für die Nutzung als Membran auf. Dies könnte z. B. für Kohlendioxid-Reduzierung in Postcombustion-Verfahren interessant sein. Überdies wurde gezeigt, dass Stickstoffadsorption bei 77 K nicht ohne weiteres als Standardmethode für die Analyse von mikroporösen Materialien geeignet ist und dass die mikroporösen Materialien ferner durch Stickstoffadsorption bei 87 K und andere Gassorptionsmethoden bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren sind. Diese Arbeit trägt zum besseren Verständnis mikroporöser Polymere bei.
KW  - Betulin
KW  - mikroporöse Polymere
KW  - Polyeste r
KW  - Gaspermeation
KW  - Naturstoff
KW  - Betulin
KW  - gas permeation
KW  - microporous polymers
KW  - polyesters
KW  - renewable resources
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61380
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TY  - THES
A1  - Latnikova, Alexandra
T1  - Polymeric capsules for self-healing anticorrosion coatings
T1  - Polymerische Kapseln für selbstheilende Korrosionsschutzbeschichtungen
N2  - The present work is devoted to establishing of a new generation of self-healing anti-corrosion coatings for protection of metals. The concept of self-healing anticorrosion coatings is based on the combination of the passive part, represented by the matrix of conventional coating, and the active part, represented by micron-sized capsules loaded with corrosion inhibitor. Polymers were chosen as the class of compounds most suitable for the capsule preparation. The morphology of capsules made of crosslinked polymers, however, was found to be dependent on the nature of the encapsulated liquid. Therefore, a systematic analysis of the morphology of capsules consisting of a crosslinked polymer and a solvent was performed. Three classes of polymers such as polyurethane, polyurea and polyamide were chosen. Capsules made of these polymers and eight solvents of different polarity were synthesized via interfacial polymerization. It was shown that the morphology of the resulting capsules is specific for every polymer-solvent pair. Formation of capsules with three general types of morphology, such as core-shell, compact and multicompartment, was demonstrated by means of Scanning Electron Microscopy. Compact morphology was assumed to be a result of the specific polymer-solvent interactions and be analogues to the process of swelling. In order to verify the hypothesis, pure polyurethane, polyurea and polyamide were synthesized; their swelling behavior in the solvents used as the encapsulated material was investigated. It was shown that the swelling behavior of the polymers in most cases correlates with the capsules morphology. Different morphologies (compact, core-shell and multicompartment) were therefore attributed to the specific polymer-solvent interactions and discussed in terms of “good” and “poor” solvent. Capsules with core-shell morphology are formed when the encapsulated liquid is a “poor” solvent for the chosen polymer while compact morphologies are formed when the solvent is “good”. Multicompartment morphology is explained by the formation of infinite networks or gelation of crosslinked polymers. If gelation occurs after the phase separation in the system is achieved, core-shell morphology is present. If gelation of the polymer occurs far before crosslinking is accomplished, further condensation of the polymer due to the crosslinking may lead to the formation of porous or multicompartment morphologies. It was concluded that in general, the morphology of capsules consisting of certain polymer-solvent pairs can be predicted on the basis of polymer-solvent behavior. In some cases, the swelling behavior and morphology may not match. The reasons for that are discussed in detail in the thesis. The discussed approach is only capable of predicting capsule morphology for certain polymer-solvent pairs. In practice, the design of the capsules assumes the trial of a great number of polymer-solvent combinations; more complex systems consisting of three, four or even more components are often used. Evaluation of the swelling behavior of each component pair of such systems becomes unreasonable. Therefore, exploitation of the solubility parameter approach was found to be more useful. The latter allows consideration of the properties of each single component instead of the pair of components. In such a manner, the Hansen Solubility Parameter (HSP) approach was used for further analysis. Solubility spheres were constructed for polyurethane, polyurea and polyamide. For this a three-dimensional graph is plotted with dispersion, polar and hydrogen bonding components of solubility parameter, obtained from literature, as the orthogonal axes. The HSP of the solvents are used as the coordinates for the points on the HSP graph. Then a sphere with a certain radius is located on a graph, and the “good” solvents would be located inside the sphere, while the “poor” ones are located outside. Both the location of the sphere center and the sphere radius should be fitted according to the information on polymer swelling behavior in a number of solvents. According to the existing correlation between the capsule morphology and swelling behavior of polymers, the solvents located inside the solubility sphere of a polymer give capsules with compact morphologies. The solvents located outside the solubility sphere of the solvent give either core-shell or multicompartment capsules in combination with the chosen polymer. Once the solubility sphere of a polymer is found, the solubility/swelling behavior is approximated to all possible substances. HSP theory allows therefore prediction of polymer solubility/swelling behavior and consequently the capsule morphology for any given substance with known HSP parameters on the basis of limited data. The latter makes the theory so attractive for application in chemistry and technology, since the choice of the system components is usually performed on the basis of a large number of different parameters that should mutually match. Even slight change of the technology sometimes leads to the necessity to find the analogue of this or that solvent in a sense of solvency but carrying different chemistry. Usage of the HSP approach in this case is indispensable. In the second part of the work examples of the HSP application for the fabrication of capsules with on-demand-morphology are presented. Capsules with compact or core-shell morphology containing corrosion inhibitors were synthesized. Thus, alkoxysilanes possessing long hydrophobic tail, combining passivating and water-repelling properties, were encapsulated in polyurethane shell. The mechanism of action of the active material required core-shell morphology of the capsules. The new hybrid corrosion inhibitor, cerium diethylhexyl phosphate, was encapsulated in polyamide shells in order to facilitate the dispersion of the substance and improve its adhesion to the coating matrix. The encapsulation of commercially available antifouling agents in polyurethane shells was carried out in order to control its release behavior and colloidal stability. Capsules with compact morphology made of polyurea containing the liquid corrosion inhibitor 2-methyl benzothiazole were synthesized in order to improve the colloidal stability of the substance. Capsules with compact morphology allow slower release of the liquid encapsulated material compared to the core-shell ones. If the “in-situ” encapsulation is not possible due to the reaction of the oil-soluble monomer with the encapsulated material, a solution was proposed: loading of the capsules should be performed after monomer deactivation due to the accomplishment of the polymerization reaction. Capsules of desired morphologies should be preformed followed by the loading step. In this way, compact polyurea capsules containing the highly effective but chemically active corrosion inhibitors 8-hydroxyquinoline and benzotriazole were fabricated. All the resulting capsules were successfully introduced into model coatings. The efficiency of the resulting “smart” self-healing anticorrosion coatings on steel and aluminium alloy of the AA-2024 series was evaluated using characterization techniques such as Scanning Vibrating Electron Spectroscopy, Electrochemical Impedance Spectroscopy and salt-spray chamber tests.
N2  - In Anlehnung an den Selbstheilungsmechanismus der menschlichen Haut entwickeln wir ein innovatives Verfahren zur Funktionalisierung von Korrosionsschutzbeschichtungen, um auch diese in die Lage zu versetzen Beschädigungen selbstständig „auszuheilen“. Dazu werden winzige Mikro- und Nanobehälter mit aktiven Substanzen (z. B. Korrosionshemmstoffen, Versiegelungsmitteln, Bioziden etc.) befüllt und anschließend in eine Korrosionsschutzbeschichtung eingebettet. Kommt es nun im Zeitablauf zu korrosionsauslösenden Beschädigungen der Schutzbeschichtung (z. B. durch Kratzer oder Risse) werden an der Defektstelle die eingebetteten Behälter zerstört und aktiv wirkende Gegensubstanzen freigesetzt. Dadurch wird die verletzte Stelle sofort wieder verschlossen und die Korrosionsgefahr eliminiert. Der entscheidende Vorteil derart funktionalisierter Schutzbeschichtungen ist ihre aktive Rückkopplung mit dem Korrosionsauslöser: Die aktive Schutzsubstanz wird nur an der Defektstelle und nur in der zur Korrosionsvermeidung erforderlichen Menge freigegeben. Somit werden eine länger anhaltende Wirkdauer sowie eine deutlich höhere Nachhaltigkeit der Beschichtungen ermöglicht. Dieses „intelligente Verhalten“ der neuen aktiven Korrosionsschutzbeschichtungen ist nur dank ihrer innovativen Mikrostruktur möglich. Die winzigen Mikro- und Nanobehälter beinhalten nicht nur aktive Substanzen in ihrem Inneren sondern besitzen auch eine intelligent konstruierte Hüllenstruktur, deren Durchlässigkeit sich je nach Art des Korrosionsauslösers ändert. Wird die eingekapselte aktive Substanz freigesetzt, fängt diese sofort an gegen die korrosionsverursachenden Einflüsse zu wirken. Ist die Gefahr beseitigt verringert sich die Durchlässigkeit der Behälterhülle wieder. Diese bedingte Reversibilität zwischen geschlossenem und geöffnetem Zustand des Behälters sorgt für einen sehr sparsamen Verbrauch der aktiven Substanz und für die stark verbesserte Schutzwirkung darauf basierender Antikorrosionsbeschichtungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Aufbau polymerer Kern-Schale-Mikrokapseln, die entsprechende Korrosionsinhibitoren und Biocide enthalten. Der Morphologie wird für zahlreiche Lösungsmittel und Polymere mit Hilfe der Hansen-Löslichkeitsparameter in guter Übereinstimmung mit elektronenmikroskopischen Experimenten beschrieben. Die Wirkungsweise in technischen Beschichtungen wird quantifiziert anhand von elektrochemischer Impedanzspektroskopie, Rastervibrationssondenmessungen und industrienahen Testverfahren.
KW  - Korrosion
KW  - Selbstheilende Beschichtungen
KW  - Einkapselung
KW  - Morphologie von Kapseln
KW  - corrosion
KW  - self-healing coatings
KW  - encapsulation
KW  - capsule morphology
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60432
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TY  - THES
A1  - Zarafshani, Zoya
T1  - Chain-end functionalization and modification of polymers using modular chemical reactions
T1  - Ketten-Ende Funktionalisierung und Modifikation von Polymeren mittels modulare chemischen Reaktionen
N2  - Taking advantage of ATRP and using functionalized initiators, different functionalities were introduced in both α and ω chain-ends of synthetic polymers. These functionalized polymers could then go through modular synthetic pathways such as click cycloaddition (copper-catalyzed or copper-free) or amidation to couple synthetic polymers to other synthetic polymers, biomolecules or silica monoliths. Using this general strategy and designing these co/polymers so that they are thermoresponsive, yet bioinert and biocompatible with adjustable cloud point values (as it is the case in the present thesis), the whole generated system becomes "smart" and potentially applicable in different branches. The applications which were considered in the present thesis were in polymer post-functionalization (in situ functionalization of micellar aggregates with low and high molecular weight molecules), hydrophilic/hydrophobic tuning, chromatography and bioconjugation (enzyme thermoprecipitation and recovery, improvement of enzyme activity). Different α-functionalized co/polymers containing cholesterol moiety, aldehyde, t-Boc protected amine, TMS-protected alkyne and NHS-activated ester were designed and synthesized in this work.
N2  - In dieser Arbeit wurden mittels der ATRP Methode sowie durch Benutzung funktioneller Initiatoren verschiedene Funktionalitäten an der α- und ω-Position der synthetischen Polymere (Kettenenden) eingeführt. Diese funktionalisierten Polymere können durch modulare synthetische Methoden wie z.B. die “Klick-Zykloaddition” (kupferkatalysiert oder auch kupferfreie Methoden möglich), Amidierung mit anderen synthetischen Polymeren oder Biomolekülen, oder auch mit Silikatmonolithen gekuppelt werden. Den beschriebenen Strategien folgend und unter Benutzung von thermoresponsiven, bioinerten und biokompartiblen (Co-) Polymeren mit einstellbaren Trübungspunkten können mittels Temperaturänderungen leicht steuerbare, „smarte“ Polymersysteme für verschiedene Anwendungen hergestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden speziell Anwendungen wie die Postfunktionalisierung (in situ Funktionalisierung mizellarer Aggregate mit Molekülen, die sowohl niedrige als auch höhere Molekulargewichte aufweisen), hydrophiles/hydrophobes Tuning von Polymeren, Chromatographie an Polymeren sowie Biokonjugation von Polymeren (Enzymthermoprezipitation und -Gewinnung, Enzymaktivitätsmodifizierung) genauer untersucht. Es wurden verschiedene α-funktionalisierte (Co-)Polymere, die Cholesterol, Aldehyde, t-Boc geschützte Amine, TMS-geschützte Alkine und NHS-aktivierte Ester entwickelt und hergestellt und mittels passender ATRP Initiatoren eingeführt.
KW  - Atom Transfer Radical Polymerization
KW  - Klick-Chemie
KW  - Biokonjugation
KW  - Funktionalisierung
KW  - Modifizierung von Polymeren
KW  - ATRP
KW  - Click chemistry
KW  - Bioconjugation
KW  - Functionalization
KW  - Polymer Modification
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59723
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wohlgemuth, Stephanie-Angelika
T1  - Functional nanostructured hydrothermal carbons for sustainable technologies : heteroatom doping and superheated vapor
T1  - Funktionelle, Nanostrukturierte Hydrothermal-Kohlenstoffe für Nachhaltige Technnologien: Heteroatom-Dotierung und Überkritischer Dampf
N2  - The underlying motivation for the work carried out for this thesis was the growing need for more sustainable technologies. The aim was to synthesize a “palette” of functional nanomaterials using the established technique of hydrothermal carbonization (HTC). The incredible diversity of HTC was demonstrated together with small but steady advances in how HTC can be manipulated to tailor material properties for specific applications. Two main strategies were used to modify the materials obtained by HTC of glucose, a model precursor representing biomass. The first approach was the introduction of heteroatoms, or “doping” of the carbon framework. Sulfur was for the first time introduced as a dopant in hydrothermal carbon. The synthesis of sulfur and sulfur/nitrogen doped microspheres was presented whereby it was shown that the binding state of sulfur could be influenced by varying the type of sulfur source. Pyrolysis may additionally be used to tune the heteroatom binding states which move to more stable motifs with increasing pyrolysis temperature. Importantly, the presence of aromatic binding states in the as synthesized hydrothermal carbon allows for higher heteroatom retention levels after pyrolysis and hence more efficient use of dopant sources. In this regard, HTC may be considered as an “intermediate” step in the formation of conductive heteroatom doped carbon. To assess the novel hydrothermal carbons in terms of their potential for electrochemical applications, materials with defined nano-architectures and high surface areas were synthesized via templated, as well as template-free routes. Sulfur and/or nitrogen doped carbon hollow spheres (CHS) were synthesized using a polystyrene hard templating approach and doped carbon aerogels (CA) were synthesized using either the albumin directed or borax-mediated hydrothermal carbonization of glucose. Electrochemical testing showed that S/N dual doped CHS and aerogels derived via the albumin approach exhibited superior catalytic performance compared to solely nitrogen or sulfur doped counterparts in the oxygen reduction reaction (ORR) relevant to fuel cells. Using the borax mediated aerogel formation, nitrogen content and surface area could be tuned and a carbon aerogel was engineered to maximize electrochemical performance. The obtained sample exhibited drastically improved current densities compared to a platinum catalyst (but lower onset potential), as well as excellent long term stability. In the second approach HTC was carried out at elevated temperatures (550 °C) and pressure (50 bar), corresponding to the superheated vapor regime (htHTC). It was demonstrated that the carbon materials obtained via htHTC are distinct from those obtained via ltHTC and subsequent pyrolysis at 550 °C. No difference in htHTC-derived material properties could be observed between pentoses and hexoses. The material obtained from a polysaccharide exhibited a slightly lower degree of carbonization but was otherwise similar to the monosaccharide derived samples. It was shown that in addition to thermally induced carbonization at 550 °C, the SHV environment exhibits a catalytic effect on the carbonization process. The resulting materials are chemically inert (i.e. they contain a negligible amount of reactive functional groups) and possess low surface area and electronic conductivity which distinguishes them from carbon obtained from pyrolysis. Compared to the materials presented in the previous chapters on chemical modifications of hydrothermal carbon, this makes them ill-suited candidates for electronic applications like lithium ion batteries or electrocatalysts. However, htHTC derived materials could be interesting for applications that require chemical inertness but do not require specific electronic properties. The final section of this thesis therefore revisited the latex hard templating approach to synthesize carbon hollow spheres using htHTC. However, by using htHTC it was possible to carry out template removal in situ because the second heating step at 550 °C was above the polystyrene latex decomposition temperature. Preliminary tests showed that the CHS could be dispersed in an aqueous polystyrene latex without monomer penetrating into the hollow sphere voids. This leaves the stagnant air inside the CHS intact which in turn is promising for their application in heat and sound insulating coatings. Overall the work carried out in this thesis represents a noteworthy development in demonstrating the great potential of sustainable carbon materials.
N2  - Das Ziel der vorgelegten Arbeit war es, mit Hilfe der Hydrothermalen Carbonisierung (HTC) eine Palette an verschiedenen Materialien herzustellen, deren physikalische und chemische Eigenschaften auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden können. Die Motivation hierfür stellt die Notwendigkeit, Alternativen zu Materialien zu finden, die auf fossilen Brennstoffen basieren. Dabei stellen vor allem nachhaltige Energien eine der größten Herausforderungen der Zukunft dar. HTC ist ein mildes, nachhaltiges Syntheseverfahren welches prinzipiell die Nutzung von biologischen Rohstoffen (z. B. landwirtschaftlichen Abfallprodukten) für die Herstellung von wertvollen, Kohlenstoff-basierten Materialien erlaubt. Es wurden zwei verschiedene Ansätze verwendet, um hydrothermalen Kohlenstoff zu modifizieren. Zum einen wurde HTC unter „normalen“ Bedingungen ausgeführt, d. h. bei 180 °C und einem Druck von etwa 10 bar. Der Zucker Glukose diente in allen Fällen als Kohlenstoff Vorläufer. Durch Zugabe von stickstoff und /oder schwefelhaltigen Additiven konnte dotierte Hydrothermalkohle hergestellt werden. Dotierte Kohlenstoffe sind bereits für ihre positiven Eigenschaften, wie verbesserte Leitfähigkeit oder erhöhte Stabilität, bekannt. Zusätzlich zu Stickstoff dotierter Hydrothermalkohle, die bereits von anderen Gruppen hergestellt werden konnte, wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal Schwefel in Hydrothermalkohle eingebaut. Außerdem wurden verschiedene Ansätze verwendet, um Oberfläche und definierte Morphologie der dotierten Materialien zu erzeugen, welche wichtig für elektrochemische Anwendungen sind. Schwefel- und/oder stickstoffdotierte Kohlenstoff Nanohohlkugeln sowie Kohlenstoff Aerogele konnten hergestellt werden. Mit Hilfe von einem zusätzlichen Pyrolyseschritt (d. h. Erhitzen unter Schutzgas) konnte die Leitfähigkeit der Materialien hergestellt werden, die daraufhin als Nichtmetall-Katalysatoren für Wasserstoff-Brennstoffzellen getestet wurden. Im zweiten Ansatz wurde HTC unter extremen Bedingungen ausgeführt, d. h. bei 550 °C und einem Druck von ca. 50 bar, welches im Wasser Phasendiagram dem Bereich des Heißdampfes entspricht. Es konnte gezeigt werden, dass die so erhaltene Hydrothermalkohle ungewöhnliche Eigenschaften besitzt. So hat die Hochtemperatur-Hydrothermalkohle zwar einen hohen Kohlenstoffgehalt (mehr als 90 Massenprozent), enthält aber auch viele Wasserstoffatome und ist dadurch schlecht leitfähig. Da damit elektrochemische Anwendungen so gut wie ausgeschlossen sind, wurde die Hochtemperatur-Hydrothermalkohle für Anwendungen vorgesehen, welche chemische Stabilität aber keine Leitfähigkeit voraussetzen. So wurden beispielsweise Hochtemperatur-Kohlenstoff-Nanohohlkugeln synthetisiert, die großes Potential als schall- und wärmeisolierende Additive für Beschichtungen darstellen. Insgesamt konnten erfolgreich verschiedenste Materialien mit Hilfe von HTC hergestellt werden. Es ist zu erwarten, dass sie in Zukunft zu nachhaltigen Technologien und damit zu einem weiteren Schritt weg von fossilen Brennstoffen beitragen werden.
KW  - Hydrothermale Karbonisierung
KW  - Heteroatom-Dotierung
KW  - Aerogele
KW  - Hohlkugeln
KW  - Elektrokatalyse
KW  - Hydrothermal Carbonization
KW  - Heteroatom Doping
KW  - Aerogels
KW  - Hollow Spheres
KW  - Electrocatalysis
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60120
ER  - 
TY  - THES
A1  - Piluso, Susanna
T1  - Design of biopolymer-based networks with defined molecular architecture
T1  - Design biopolymer-basierter Netzwerke mit definierter molekularer Architektur
N2  - In this work, the synthesis of biopolymer-based hydrogel networks with defined architecture is presented. In order to obtain materials with defined properties, the chemoselective copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (or Click Chemistry) was used for the synthesis of gelatin-based hydrogels. Alkyne-functionalized gelatin was reacted with four different diazide crosslinkers above its sol-gel transition to suppress the formation of triple helices. By variation of the crosslinking density and the crosslinker flexibility, the swelling (Q: 150-470 vol.-%;) and the Young’s and shear moduli (E: 50 kPa - 635 kPa, G’: 0.1 kPa - 16 kPa) could be tuned in the kPa range. In order to understand the network structure, a method based on the labelling of free functional groups within the hydrogel was developed. Gelatin-based hydrogels were incubated with alkyne-functionalized fluorescein to detect the free azide groups, resulting from the formation of dangling chains. Gelatin hydrogels were also incubated with azido-functionalized fluorescein to check the presence of alkyne groups available for the attachment of bioactive molecules. By using confocal laser scanning microscopy and fluorescence spectroscopy, the amount of crosslinking, grafting and free alkyne groups could be determined. Dangling chains were observed in samples prepared by using an excess of crosslinker and also when using equimolar amounts of alkyne:azide. In the latter case the amount of dangling chains was affected by the crosslinker structure. Specifically, 0.1% of dangling chains were found using 4,4’-diazido-2,2’-stilbene-disulfonic acid as cosslinker, 0.06% with 1,8-diazidooctane, 0.05% with 1,12-diazidododecane and 0.022 % with PEG-diazide. This observation could be explained considering the structure of the crosslinkers. During network formation, the movements of the gelatin chains are restricted due to the formation of covalent netpoints. A further crosslinking will be possible only in the case of crosslinker that are flexible and long enough to reach another chain. The method used to obtain defined gelatin-based hydrogels enabled also the synthesis of hyaluronic acid-based hydrogels with tailorable properties. Alkyne-functionalized hyaluronic acid was crosslinked with three different linkers having two terminal azide functionalities. By variation of the crosslinking density and crosslinker type, hydrogels with elastic moduli in the range of 0.5-3 kPa have been prepared. The variation of the crosslinking density and crosslinker type had furthermore an influence also on the hydrolytic and enzymatic degradation of gelatin-based hydrogels. Hydrogels with a low crosslinker amount experienced a faster decrease in mass loss and elastic modulus compared to hydrogels with higher crosslinker content. Moreover, the structure of the crosslinker had a strong influence on the enzymatic degradation. Hydrogels containing a crosslinker with a rigid structure were much more resistant to enzymatic degradation than hydrogels containing a flexible crosslinker. During hydrolytic degradation, the hydrogel became softer while maintaining the same outer dimensions. These observations are in agreement with a bulk degradation mechanism, while the decrease in size of the hydrogels during enzymatic degradation suggested a surface erosion mechanism. Because of the use of small amount of crosslinker (0.002 mol.% 0.02 mol.%) the networks synthesized can still be defined as biopolymer-based hydrogels. However, they contain a small percentage of synthetic residues. Alternatively, a possible method to obtain biopolymer-based telechelics, which could be used as crosslinkers, was investigated. Gelatin-based fragments with defined molecular weight were obtained by controlled degradation of gelatin with hydroxylamine, due to its specific action on asparaginyl-glycine bonds. The reaction of gelatin with hydroxylamine resulted in fragments with molecular weights of 15, 25, 37, and 50 kDa (determined by SDS-PAGE) independently of the reaction time and conditions. Each of these fragments could be potentially used for the synthesis of hydrogels in which all components are biopolymer-based materials.
N2  - In dieser Arbeit wird die Synthese Biopolymer-basierter Hydrogelnetzwerke mit definierter Architektur beschrieben. Um Materialien mit definierten und einstellbaren Eigenschaften zu erhalten, wurde die chemoselektive Kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloadditionsreaktion (auch als Click-Chemie bezeichnet) für die Synthese Gelatine-basierter Netzwerke eingesetzt. Alkin-funktionalisierte Gelatine wurde mit vier verschiedenen Diazid-Quervernetzern oberhalb der Gel-Sol-Übergangstemperatur umgesetzt, um die Formierung tripelhelikaler Bereiche durch Gelatineketten zu unterdrücken. Durch Variation der Menge an Quervernetzer (und damit der Netzdichte) sowie der Länge und Flexibilität der Quervernetzer konnten u.a. die Quellung (Q: 150-470 vol.-%) sowie der Young’s - und Schermodul im kPa Bereich eingestellt werden (E: 50 kPa - 635 kPa, G’: 0.1 kPa - 16 kPa). Um die Netzwerkarchitektur zu verstehen, wurde eine Methode basierend auf dem Labeln unreagierter Azid- und Alkingruppen im Hydrogel entwickelt. Die Gelatine-basierten Hydrogele wurden mit Alkin-funktionalisiertem Fluorescein umgesetzt, um freie Azidgruppen zu detektieren, die bei einem Grafting entstehen. Darüber hinaus wurden die Hydrogele mit Azid-funktionalisiertem Fluorescein reagiert, um die Menge an freien Alkingruppen zu bestimmen, die zudem potentiell für die Anbindung bioaktiver Moleküle geeignet sind. Quervernetzung, Grafting, und die Anzahl freier Alkingruppen konnten dann mit Hilfe der konfokalen Laser Scanning Mikroskopie und der Fluoreszenzmikroskopie qualitativ und quantitativ nachgewiesen werden. Gegraftete Ketten wurden in Systemen nachgewiesen, die mit einem Überschuss an Quervernetzer hergestellt wurden, entstanden aber auch beim Einsatz äquimolarer Mengen Alkin- und Azidgruppen. Im letzteren Fall wurde in Abhängigkeit von der Struktur des Diazids unterschiedliche Anteile gegrafteter Ketten festgestellt. 0.1 mol-% von gegrafteten Ketten wurden für 4,4’-Diazido-2,2’-stilbendisulfonsäure gefunden, 0.06 mol-% für 1,8-Diazidooktan, 0.05 mol% für 1,12-diazidododecan und 0.022 mol-% für PEG-Diazid. Diese Beobachtung kann durch die unterschiedliche Flexibilität der Vernetzer erklärt werden. Während der Netzwerkbildung werden die Bewegungen der Gelatineketten eingeschränkt, so dass kovalente Netzpunkte nur erhalten werden können, wenn der Vernetzer lang und flexibel genug ist, um eine andere Alkingruppe zu erreichen. Die Strategie zur Synthese von Biopolymer-basierten Hydrogelen mit einstellbaren Eigenschaften wurde von Gelatine- auf Hyaluronsäure-basierte Gele übertragen. Alkin-funktionalisierte Hyaluronäure wurde mit drei verschiedenen Diaziden quervernetzt, wobei Menge, Länge, und Flexibilität des Quervernetzers variiert wurden. In dieser Weise wurden sehr weiche Hydrogele mit E-Moduli im Bereich von 0.5-3 kPa hergestellt. Die Variation der Vernetzungsdichte und des Vernetzertyps beeinflusste weiterhin den hydrolytischen und enzymatischen Abbau der Hydrogele. Hydrogele mit einem geringerem Anteil an Quervernetzer wurden schneller abgebaut als solche mit einem höheren Quervernetzeranteil. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Hydrogele mit Quervernetzern mit einer rigiden Struktur deutlich langsamer degradierten als Hydrogele mit flexibleren Quervernetzern. Während des hydrolytischen Abbau wurden die Materialien weicher, behielten aber ihre Form bei, was mit einem Bulk-Abbau-Modell übereinstimmt. Während des enzymatischen Abbaus hingegen änderten sich die Materialeigenschaften kaum, jedoch wurden die Proben kleiner. Diese Beobachtung stimmt mit einem Oberflächenabbaumechanismus überein. Da in allen vorgestellten Systemen nur eine kleine Menge synthetischer Vernetzer eingesetzt wurde (0.002 – 0.02 mol%), können die Materialien noch als Biopolymer-basierte Materialien klassifiziert werden. Jedoch enthalten die Materialien synthetische Abschnitte. In Zukunft könnte es interessant sein, einen Zugang zu Materialien zu haben, die ausschließlich aus Biopolymeren aufgebaut sind. Daher wurde der Zugang zu Biopolymer basierten Telechelen untersucht, die potentiell als Vernetzer dienen können. Dazu wurden durch die kontrollierte Spaltung von Gelatine mit Hydroxylamin Gelatinefragmente mit definiertem Molekulargewicht hergestellt. Hydroxalamin reagiert unter Spaltung mit der Amidbindung zwischen Asparagin und Glycin, wobei Aspartylhydroxamate und Aminoendgruppen entstehen. Die Reaktion von Gelatine mit Hydroxylamin ergab Fragmente mit Molekulargewichten von 15, 25, 37, und 50 kDa (bestimmt mit SDS-PAGE), und die Formierung dieser Fragmente war unabhängig von den weiteren Reaktionsbedingungen und der Reaktionszeit. Jedes dieser Fragmente kann potentiell für die Synthese von Hydrogelen eingesetzt werden, die ausschließlich aus Biopolymeren bestehen.
KW  - Klickchemie
KW  - Gelatine
KW  - Hyaluronsäure
KW  - Abbau
KW  - Kollagenase
KW  - Click Chemistry
KW  - Gelatin
KW  - Hyaluronic acid
KW  - Degradation
KW  - Collagenase
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59865
ER  - 
TY  - THES
A1  - Miasnikova, Anna
T1  - New hydrogel forming thermo-responsive block copolymers of increasing structural complexity
T1  - Neue Hydrogel-bildende thermisch schaltbare Blockcopolymere von zunehmender struktureller Komplexität
N2  - This work describes the synthesis and characterization of stimuli-responsive polymers made by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and the investigation of their self-assembly into “smart” hydrogels. In particular the hydrogels were designed to swell at low temperature and could be reversibly switched to a collapsed hydrophobic state by rising the temperature. Starting from two constituents, a short permanently hydrophobic polystyrene (PS) block and a thermo-responsive poly(methoxy diethylene glycol acrylate) (PMDEGA) block, various gelation behaviors and switching temperatures were achieved. New RAFT agents bearing tert-butyl benzoate or benzoic acid groups, were developed for the synthesis of diblock, symmetrical triblock and 3-arm star block copolymers. Thus, specific end groups were attached to the polymers that facilitate efficient macromolecular characterization, e.g by routine 1H-NMR spectroscopy. Further, the carboxyl end-groups allowed functionalizing the various polymers by a fluorophore. Because reports on PMDEGA have been extremely rare, at first, the thermo-responsive behavior of the polymer was investigated and the influence of factors such as molar mass, nature of the end-groups, and architecture, was studied. The use of special RAFT agents enabled the design of polymer with specific hydrophobic and hydrophilic end-groups. Cloud points (CP) of the polymers proved to be sensitive to all molecular variables studied, namely molar mass, nature and number of the end-groups, up to relatively high molar masses. Thus, by changing molecular parameters, CPs of the PMDEGA could be easily adjusted within the physiological interesting range of 20 to 40°C. A second responsivity, namely to light, was added to the PMDEGA system via random copolymerization of MDEGA with a specifically designed photo-switchable azobenzene acrylate. The composition of the copolymers was varied in order to determine the optimal conditions for an isothermal cloud point variation triggered by light. Though reversible light-induced solubility changes were achieved, the differences between the cloud points before and after the irradiation were small. Remarkably, the response to light differed from common observations for azobenzene-based systems, as CPs decreased after UV-irradiation, i.e with increasing content of cis-azobenzene units. The viscosifying and gelling abilities of the various block copolymers made from PS and PMDEGA blocks were studied by rheology. Important differences were observed between diblock copolymers, containing one hydrophobic PS block only, the telechelic symmetrical triblock copolymers made of two associating PS termini, and the star block copolymers having three associating end blocks. Regardless of their hydrophilic block length, diblock copolymers PS11 PMDEGAn were freely flowing even at concentrations as high as 40 wt. %. In contrast, all studied symmetrical triblock copolymers PS8-PMDEGAn-PS8 formed gels at low temperatures and at concentrations as low as 3.5 wt. % at best. When heated, these gels underwent a gel-sol transition at intermediate temperatures, well below the cloud point where phase separation occurs. The gel-sol transition shifted to markedly higher transition temperatures with increasing length of the hydrophilic inner block. This effect increased also with the number of arms, and with the length of the hydrophobic end blocks. The mechanical properties of the gels were significantly altered at the cloud point and liquid-like dispersions were formed. These could be reversibly transformed into hydrogels by cooling. This thesis demonstrates that high molar mass PMDEGA is an easily accessible, presumably also biocompatible and at ambient temperature well water-soluble, non-ionic thermo-responsive polymer. PMDEGA can be easily molecularly engineered via the RAFT method, implementing defined end-groups, and producing different, also complex, architectures, such as amphiphilic triblock and star block copolymers, having an analogous structure to associative telechelics. With appropriate design, such amphiphilic copolymers give way to efficient, “smart” viscosifiers and gelators displaying tunable gelling and mechanical properties.
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit der RAFT-vermittelten Synthese und Charakterisierung von stimuli-empfindlichen Polymeren und ihrer Selbstorganisation zu „intelligenten” Hydrogelen. Die Hydrogele wurden so entwickelt, dass sie bei niedrigen Temperaturen stark quellen, bei Temperaturerhöhung jedoch reversibel in einem hydrophoben, kollabierten Zustand umgewandelt werden. Mit dem permanent hydrophoben Polystyrol (PS) und dem hydrophilen, thermisch schaltbaren Poly(methoxy-diethylen¬glycol-acrylat) (PMDEGA) als Bausteine, wurden unterschiedliche Gelierungsverhalten und thermische Übergangstemperaturen erreicht. Zur Synthese von Diblock-, symmetrischen Triblock- und dreiarmigen Sternblock-Copolymeren wurden neue funktionelle Kettenüberträger entwickelt. Diese gestatteten es, tert-butyl Benzoeester und Benzoesäure Endgruppen in die Polymere einzubauen, die einerseits eine effiziente Analyse mittels Routine 1H-NMR und darüber hinaus eine spätere Funktionalisierung der Endgruppen mit einer Fluoreszenzsonde ermöglichten. Da über PMDEGA kaum Daten vorlagen, wurde der Einfluss von Molekulargewicht, Endgruppen und Architektur auf das thermo-responsive Verhalten untersucht. Die speziellen Kettenüberträger ermöglichten es, gezielt hydrophobe wie hydrophile Endgruppen in die Polymere einzuführen. Die Trübungspunkte der wässerigen Lösungen von PMDEGA zeigten sich bis zu relativ hohen molaren Massen abhängig gegenüber allen untersuchten Variablen, nämlich dem Molekulargewicht, der Art und Zahl von Endgruppen. Durch Variation der diversen Parameter ließ sich die Schalttemperatur von PMDEGA in physiologisch relevanten Temperaturbereich von 20 bis 40 °C einstellen. Um die Polymere für einen zweiten Stimulus, nämlich Licht, empfindlich zu machen, wurden Azobenzol-funktionalisierte Acrylate synthetisiert und statistisch mit MDEGA copolymerisiert. Die Zusammensetzung der Polymeren wurde variiert und das isotherme Schalten der Löslichkeit durch Licht untersucht. Obwohl ein reversibles Schalten erreicht wurde, waren die Unterschiede zwischen den Trübungstemperaturen von UV-Licht bestrahlten und unbestrahlten Proben nur gering. Interessanterweise senkte die UV-Bestrahlung, d.h. ein erhöhter Gehalt von cis-Azobenzol-Gruppen, die Trübungstemperaturen herab. Dies ist genau umgekehrt als für azobenzolbasierten Systeme klassisch beschrieben. Die Gelbildung der verschiedenen Blockcopolymere von PS und PMDEGA wurde mittels Rheologie untersucht. Dabei traten deutliche Unterschiede auf, zwischen dem Gelierungsverhalten der Diblockcopolymere, die nur einen PS Block enthalten, dem der symmetrischen Triblockcopolymere, die zwei assoziative PS Endblöcken besitzen, und dem der Sternpolymere, die drei assoziative PS Blöcke aufweisen. Unabhängig von der Länge des hydrophilen Blockes, bilden Diblockcopolymere des Typs PS11-PMDEGAn keine Gele, sondern selbst bei hohen Konzentrationen von 40 Gew. % Lösungen. Im Gegensatz dazu bildeten die Triblockcopolymere des Typs PS8-PMDEGAn-PS8 Gele bei niedrigen Temperaturen, vereinzelt schon ab 3.5 wt. %. Mit steigender Temperatur, tritt bereits unterhalb des Trübungspunktes für diese Systeme ein Gel-Sol Übergang auf. Der Gel-Sol Übergang bewegt sich zu höheren Temperaturen mit steigende Länge des hydrophilen inneren Blocks. Dieser Trend verstärkt sich mit zunehmender Anzahl von Endblöcken und deren Länge. An der Trübungstemperatur veränderten sich die mechanischen Eigenschaften aller Gele signifikant und die gebildeten flüssigen Dispersionen ließen sich reversibel beim Abkühlen wieder zu Gel schalten. Diese Arbeit, zeigt dass PMDEGA ein bei niedrigen Temperaturen gut wasserlösliches, nicht-ionisches, thermisch-schaltbares und wahrscheinlich biokompatibles Polymer ist. PMDEGA liest sich einfach mittels den RAFT-Verfahren molekular maßschneiden, mit spezifischen Endgruppen und komplexen Polymerarchitekturen. Solche amphiphilen Triblock- und Sternblock-Copolymeren hoher Molmasse, wirken als assoziative Telechele. Daher eigenen sich bei entsprechendem Design diese amphiphilen Blockcopolymere als effiziente Verdicker und Gelbildner mit einstellbaren mechanischen und thermischen Eigenschaften.
KW  - Blockcopolymere
KW  - Selbstorganisation
KW  - thermisch schaltbar
KW  - LCST
KW  - RAFT
KW  - block copolymers
KW  - self-assembly
KW  - thermoresponsive
KW  - LCST
KW  - RAFT
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59953
ER  - 
TY  - THES
A1  - Falco, Camillo
T1  - Sustainable biomass-derived hydrothermal carbons for energy applications
T1  - Nachhaltiger, Biomasse-basierter Hydrothermalkohlenstoff für Energieanwendungen
N2  - The need to reduce humankind reliance on fossil fuels by exploiting sustainably the planet renewable resources is a major driving force determining the focus of modern material research. For this reason great interest is nowadays focused on finding alternatives to fossil fuels derived products/materials. For the short term the most promising substitute is undoubtedly biomass, since it is the only renewable and sustainable alternative to fossil fuels as carbon source. As a consequence efforts, aimed at finding new synthetic approaches to convert biomass and its derivatives into carbon-based materials, are constantly increasing. In this regard, hydrothermal carbonisation (HTC) has shown to be an effective means of conversion of biomass-derived precursors into functional carbon materials. However the attempts to convert raw biomass, in particular lignocellulosic one, directly into such products have certainly been rarer. Unlocking the direct use of these raw materials as carbon precursors would definitely be beneficial in terms of HTC sustainability. For this reason, in this thesis the HTC of carbohydrate and protein-rich biomass was systematically investigated, in order to obtain more insights on the potentials of this thermochemical processing technique in relation to the production of functional carbon materials from crude biomass. First a detailed investigation on the HTC conversion mechanism of lignocellulosic biomass and its single components (i.e. cellulose, lignin) was developed based on a comparison with glucose HTC, which was adopted as a reference model. In the glucose case it was demonstrated that varying the HTC temperature allowed tuning the chemical structure of the synthesised carbon materials from a highly cross-linked furan-based structure (T = 180oC) to a carbon framework composed of polyaromatic arene-like domains. When cellulose or lignocellulosic biomass was used as carbon precursor, the furan rich structure could not be isolated at any of the investigated processing conditions. These evidences were indicative of a different HTC conversion mechanism for cellulose, involving reactions that are commonly observed during pyrolytic processes. The evolution of glucose-derived HTC carbon chemical structure upon pyrolysis was also investigated. These studies revealed that upon heat treatment (Investigated temperatures 350 – 900 oC) the furan-based structure was progressively converted into highly curved aromatic pre-graphenic domains. This thermal degradation process was observed to produce an increasingly more hydrophobic surface and considerable microporosity within the HTC carbon structure. In order to introduce porosity in the HTC carbons derived from lignocellulosic biomass, KOH chemical activation was investigated as an HTC post-synthesis functionalisation step. These studies demonstrated that HTC carbons are excellent precursors for the production of highly microporous activated carbons (ACs) and that the porosity development upon KOH chemical activation is dependent on the chemical structure of the HTC carbon, tuned by employing different HTC temperatures. Preliminary testing of the ACs for CO2 capture or high pressure CH4 storage yielded very promising results, since the measured uptakes of both adsorbates (i.e. CO2 and CH4) were comparable to top-performing and commercially available adsorbents, usually employed for these end-applications. The combined use of HTC and KOH chemical activation was also employed to produce highly microporous N-doped ACs from microalgae. The hydrothermal treatment of the microalgae substrate was observed to cause the depletion of the protein and carbohydrate fractions and the near complete loss (i.e. 90%) of the microalgae N-content, as liquid hydrolysis/degradation products. The obtained carbonaceous product showed a predominantly aliphatic character indicating the presence of alkyl chains presumably derived from the lipid fractions. Addition of glucose to the initial reaction mixture was found out to be extremely beneficial, because it allowed the fixation of a higher N amount, in the algae derived HTC carbons (i.e.  60%), and the attainment of higher product yields (50%). Both positive effects were attributed to Maillard type cascade reactions taking place between the monosaccharides and the microalgae derived liquid hydrolysis/degradation products, which were in this way recovered from the liquid phase. KOH chemical activation of the microalgae/glucose mixture derived HTC carbons produced highly microporous N-doped carbons. Although the activation process led to a major reduction of the N-content, the retained N-amount in the ACs was still considerable. These features render these materials ideal candidates for supercapacitors electrodes, since they provide extremely high surface areas, for the formation of electric double-layer, coupled to abundant heteroatom doping (i.e. N and O) necessary to obtain a pseudocapacitance contribution.
N2  - Die Notwendigkeit, die Abhängigkeit der Menschheit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren ist die treibende Kraft hinter aktuellen Forschungsanstrengungen in den Materialwissenschaften. Folglich besteht heutzutage ein erhebliches Interesse daran Alternativen zu Materialien, die aus fossilen Resourcen gewonnen werden, zu finden. Kurzfristig ist zweifellos Biomasse die vielversprechendste Alternative, da sie aus heutiger Sicht die einzige nicht-fossile, nachhaltige und nachwachsende Kohlenstoffquelle ist. Konsequenterweise werden die Antrengungen neue Syntheseansätze zur Konvertierung von Biomasse und ihren Derivaten in kohlenstoffbasierten Materialien forwährend erhöht. In diesem Zusammenhang hat sich die Hydrothermalkarbonisierung (HTC) als sehr vielseitiges Werkzeug zur Konvertierung von Biomasse-basierten Ausgangsstoffen in funktionale Kohlenstoffmaterialien herausgestellt. Dennoch gibt es bisher wenige Ansätze um rohe Biomasse, genauer gesagt Lignicellulose, direkt in funktionale Materialien umzusetzen. Könnte der direkte Einsatz von roher Biomasse Verfahren wie der HTC zugänglich gemacht werden, würde dies die Nachhaltigkeit des Verfahrens immens steigern. Daher wurde in dieser Dissertation die Hydrothermalkarbonisierung von kohlenhydratreicher (d. h. Lignicelluse) und proteinreicher (d. h. Microalgae) Biomasse systematisch analysiert. Diese Untersuchung galt dem Ziel einen besseren Einblick in das Potential dieser thermochemischen Verarbeitungsmethode funktionale Kohlenstoffmaterialien aus unverarbeiteter Biomasse hervorzubringen zu gewinnen. Die hergestellten Materialien wurden mittels chemischer Aktivierung nachträglich weiter behandelt. Dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt ermöglichte die Herstellung hochporöser aktiverter Kohlenstoffe (AC). Die aus Lignicellulose gewonnenen ACs zeigten exzellente Eigenschaften bei der Aufnahme von CO2 und der Hochdruckspeicherung von CH4 währen die aus Microalgae gewonnen Eigenschaften an den Tag legten (z. B. hohe Oberfläche und N-Dotierung), welche sie zu vielversprechenden Materialien für Superkondensatoren machen. Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit zeigte außergewöhnliche Fortschritte in Richtung der Anwendung von unbehandelter Biomasse als Ausgangsmaterial für die Produktion von funktionalen Kohlenstoffen.
KW  - Biomasse
KW  - Kohlenmaterialien
KW  - Grüne Chemie
KW  - Nachhaltigkeit
KW  - Enegieanwendungen
KW  - Biomass
KW  - Carbon materials
KW  - Green Chemistry
KW  - Sustainability
KW  - Energy Applications
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59785
ER  -