During the global pandemic of coronavirus, the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) outbreak, the world was desperately searching for simpler yet more effective solutions to stop the spread of coronavirus (COVID-19). Since no one was prepared for the fast spread of such a contagious virus, there was a shortage of proper protective solutions to stop the spread. Large quantities of alcohol-based disinfectant and hand sanitizers were used, but it led to global shortages. It is desired to have a water-based, easily applied, low-cost and long-lasting disinfectant that can prevent the spread of coronavirus on any surface, without the issue of skin allergies or skin-drying as often found while using alcohol. Inspired by nature, chitosan (CS), a natural biopolymer with well-known antimicrobial and film-forming properties, was tested in this study for the preparation of coatings spread onto various surfaces and the antiviral effect was evaluated. Zinc oxide (ZnO), a material generally recognized as safe (GRAS) by the US Food and Drug Administration (FDA), is a photocatalyst that was embedded in chitosan to enhance the antimicrobial and antiviral performance of the coatings. In order to apply water-based chitosan formulation on hydrophobic polypropylene (PP) surgical mask and polyethylene terephthalate (PET) surface, the plastics were treated with either oxygen plasma or corona plasma to improve the surface hydrophilicity. The corona plasma treatment decreased the water contact angle (WCA) of the surgical mask from approximately 125° to 101° and drastically reduced WCA of the PET film from approximately 100° to 29°. The PET film was coated with CS – ZnO nanocomposite, which contains 1% chitosan and 5 wt.% (w.r.t weight of chitosan) ZnO nanoparticles. The capability of photocatalytic degradation of CS – ZnO coating was demonstrated during the degradation of methylene blue dye molecules. Additionally, we evaluated the antiviral effect of the CS – ZnO nanocomposite coating on PET plastic films under typical room lighting conditions by measuring the inactivation of lentivirus. This approach utilizes the pseudotype system, which is a reliable tool to study under conventional biosafety conditions, particularly for certain pathogenic strains of coronaviruses (CoVs) which have a strong pathogenicity. / Under den globala coronapandemin, utbrottet av allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), sökte världen desperat efter enklare men ändå mer effektiva lösningar för att stoppa spridningen av coronaviruset (COVID-19). Eftersom ingen var förberedd på en så smittsam sjukdom uppstod en brist på lämpliga skyddsmetoder för att stoppa spridningen. Stora mängder alkoholbaserade desinfektionsmedel och handdesinfektionsmedel användes, vilket skapade en global brist. Det önskades en vattenbaserad, lättapplicerad, kostnadseffektiv och långvarig desinfektionsmedel som kunde förhindra spridningen av coronaviruset på vilken yta som helst, utan problem med allergiska reaktioner eller uttorkning av huden som ofta uppstår vid användning av alkohol. Med inspiration från naturen testades kitosan, en naturlig biopolymer med välkända antimikrobiella och film-formande egenskaper, för att göra beläggningar på olika ytor och testa deras antivirala effekt. Zinkoxid (ZnO), ett material som allmänt erkänns som säkert (GRAS) av US Food and Drug Administration (FDA), är en fotokatalysator och användes i kitosanbeläggningen för att förbättra den antimikrobiella och antivirala effekten. För att applicera den vattenbaserade kitosanformuleringen på hydrofoba ytor på en kirurgisk mask av polypropen (PP) och en plastfilm av polyetylentereftalat (PET), behandlades plasterna med antingen O2 eller corona plasma för att förbättra ytornas hydrofilicitet. Behandlingen av corona plasma minskade vattenkontaktvinkeln på den kirurgiska masken från cirka 125° till 101° och för PET-filmen från cirka 100° till 29°. PET-filmen belades med CS – ZnO nanokomposit, som innehåller 1% kitosan och 5 wt.% (med avseende på vikten av kitosan) ZnO nanopartiklar. Förmågan till fotokatalytisk nedbrytning av CS – ZnO-beläggningen demonstrerades genom att bryta ned metylenblå färgmolekyler. Dessutom utvärderades vi den antivirala effekten av CS – ZnO nanokompositbeläggningen på PET-filmer i normal rumsbelysning genom att mäta dess förmåga att inaktivera lentivirus. Denna metod använder pseudotypsystemet, vilket är ett tillförlitligt verktyg för att studera under konventionella biosäkerhetsförhållanden, särskilt för vissa patogena stammar av coronavirusen (CoVs) som har en hög patogenicitet.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Polymeren in dünnen Schichtsystemen. Dazu wurden in einem geeignetem Modellsystem drei verschiedene Einflussparameter auf die Nanopartikelverteilung im Polymer und zwischen einer hydrophilen und einer hydrophoben Grenzfläche analysiert. Für eine erste Abschätzung der Verträglichkeit der einzelnen Komponenten wurden Wechselwirkungsparameter, binäre und ternäre Phasendiagramme ermittelt. Die experimentelle Charakterisierung der Nanopartikelverteilung erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit denen der theoretischen Vorbetrachtungen verglichen um herauszufinden, ob Vorhersagen zur Nanopartikelverteilung in einem Polymer möglich sind. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Nanopartikelverteilung im Polymer mit den untersuchten Parametern gezielt beeinflusst werden kann.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

The research goal of this work was dedicated to improvement of the properties and enhancement of the application potential of commodity polymer based on polyolefins by choosing different synthesis routes to create new structures and materials. More precisely, the presented study explores different aspects of metallocene and post-metallocene catalyzed olefin polymerization leading to synthesis of novel copolymers and nanocomposites. The first part of this thesis deals with controlled polymerization of α-olefins catalyzed by post-metallocenes. Bis(phenoxyamine) zirconium complexes with [ONNO]-type ligands bearing cumyl (bPA-c) and 1-adamantyl (bPA-a) ortho-substituents were applied. For the polymerization catalyzed by bPA catalyst quasi-living kinetic character is proposed. The bPA catalyst was applied for synthesis of block copolymers by employing the strategy of sequential monomer addition. The blocky structure of the copolymer was successfully achieved and confirmed by NMR techniques. Moreover, the monomodal distribution of molar mass in SEC chromatogram confirmed the absence of homopolymers. In the second part of the work new defined comb-like copolymers (CLC) having a poly(10-undecene-1-ol) (PUol) backbone and densely grafted poly(ε-caprolactone) (PCL) side chains are presented. These copolymers were synthesized in two steps by means of metallocene polymerization followed by ring opening polymerization. Copolymers with varied and adjustable graft length (PCL segments) were synthesized. It was proved that the melting and crystallization temperatures of the CLC correlate with the PCL side chain length, i.e. longer chains result in higher Tm and Tc,o values. The melting enthalpy was found to be asymptotically dependent on the length of PCL side chains. The bulk morphology of the comb-like copolymers is proposed to be lamellar as judged from the TEM micrographs. The third part of the thesis is focused on the synthesis of polypropylene nanocomposites via in situ polymerization. Thereby, organomodified aluminumphosphate with kanemite-type layered structure (AlPO-kan) has been used as novel filler. Melt compounding composites were prepared for comparison purposes to evaluate the influence of in situ synthesis on the dispersion quality of the filler in polymer matrix. Melt compounding of neat AlPO-kan with PP did not lead to formation of nanocomposites. TEM images show macro-composites with the lamellar solid remaining agglomerated. On the contrary, in situ polymerization of propene yielded materials with exfoliated nanocomposite morphology. In XRD, diffractions of the AlPO-kan pilling of layers are not detectable. It can be concluded that the primary existing layers are delaminated. Very fine distribution of the filler in the polypropylene matrix has been impressively demonstrated by TEM.

Carbon nanotubes (CNTs) have attracted a significant attention in a wide variety of applications due to their excellent physical and chemical properties. Specifically, CNTs reinforced polymer nanocomposites have considerable potential for the realization of highly sensitive, flexible, stable and durable strain sensors. However, the performance of polymer/CNTs strain sensors is influenced by many factors. Especially, the homogeneity of the CNTs distribution within the polymer matrix and the adhesion of nanocomposite film to the polymer substrate play a decisive role. Additionally, the electrical and piezoresistive responses of polymer/CNTs nanocomposites, as well as their response under variable environmental conditions need to be considered. The main aim of this thesis is to develop polymer/CNTs nanocomposites for strain sensing applications. Thereby, the focus is on the development of suitable, cost-effective and simple preparation methods of polymer/CNTs-based strain sensitive nanocomposites and on the selection of suitable flexible substrate. However, during deposition, residual stress can be formed at the interface between the film and the substrate, which leads to thin film failures. Therefore, an analytical model is developed to predict the stress distribution in the film aiming to define the suitable processing conditions for low residual stress formations. Furthermore, specific surface treatments are proposed in order to enhance the adhesion between the substrate and the thin film, which are investigated by contact angle measurement (CAM), X-rays spectroscopy (XPS)and atomic force microscopy (AFM). Nanocomposites with up to 1 wt.% multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were prepared using a simple direct mixing method. The process parameters, such as sonication time and curing time, have been determined based on several characterization techniques. Dispersions qualities were examined using morphological and topography characterizations including scanning electron microscopy (SEM) and AFM. Additionally, DC measurements were performed on the polymer/CNTs nanocomposites in order to optimize the process parameters depending on the electrical conductivity and piezoresistivity of the nanocomposite. The impact of surface treatment on the strain sensing behavior was evaluated. Furthermore, electrical and piezoresistive responses under humidity and temperature effects were investigated. Analytical investigations show that the residual stresses can be minimized by using low deposition temperatures and by increasing the film thickness. Comparison of surface treatment techniques demonstrates that oxygen plasma cleaning improves adhesion at the interface by enlarging the surface area and enhancing the surface wettability and the surface polarity due to the introduction of functional groups. Morphological characterizations show the good homogeneity of MWCNTs and depict the importance of optimization of sonication time for the uniform filler distribution. Furthermore, AFM analysis show that the surface roughness is reduced as sonication time is increased due to the debundling of CNTs agglomeration. However, excessive sonication time can lead to higher roughness caused by breaking of CNTs, which get thereby the tendency to re-agglomerate. A low percolation threshold was achieved at a CNTs concentration of 0.3 wt.% which is significantly lower than the CNT concentrations reported in literature and demonstrating the quality of dispersion process adopted. Higher sensitivity is achieved at this CNTs concentration with approximately linear piezoresistive behavior of around R 2 = 0.9904. The novel strain sensitive nanocomposites show good stability at ambient conditions and good durability under mechanical cyclic test. In addition, it is found that the sensing behavior depends greatly on the surface roughness. A high stability and linearity with good sensitivity were observed for the sensor having low surface roughness. The temperature and humidity dependency of the composite is affected by the environmental changes. Therefore, an encapsulation of the film is required to minimize moisture absorption in addition to get better sensor recovery under mechanical load comparing to non-encapsulated film. / Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) genießen aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen eine große Aufmerksamkeit. Insbesondere CNT-verstärkte polymere Nanokomposite haben ein erhebliches Potenzial für die Realisierung hochempfindlicher, flexibler, stabiler und langlebiger Dehnungssensoren. Die Eigenschaften von Polymer/CNT-Dehnungssensoren werden von vielen Faktoren beeinflusst. Insbesondere die Homogenität der CNT-Verteilung innerhalb der Polymermatrix und die Haftung des Nanokompositfilms auf dem Polymersubstrat spielen eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus müssen die elektrischen und piezoresistiven Eigenschaften von Polymer/CNTs-Nanokompositen sowie deren Reaktion auf variable Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Polymer/CNT-Nanokompositen für die Anwendung als Dehnungsmessstreifen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung geeigneter, kostengünstiger und einfacher Präparationsmethoden von Polymer/CNT-basierten dehnungsempfindlichen Nanokompositen und deren Realisierung auf geeigneten flexiblen Substraten. Während der Abscheidung kann an der Grenzfläche zwischen Film und Substrat Eigenspannung entstehen, die zu Dünnschichtfehlern führt. Daher wird ein analytisches Modell zur Vorhersage der Spannungsverteilung im Film entwickelt, um die geeigneten Verarbeitungsbedingungen für geringe Eigenspannungsformationen zu definieren. Darüber hinaus werden spezifische Oberflächenbehandlungen vorgeschlagen, um die Haftung zwischen dem Substrat und dem Dünnfilm zu verbessern, die durch Kontaktwinkelmessung (CAM), Röntgenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht werden. Nanokompositen mit bis zu 1 wt.% mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) wurden mit einem einfachen Direktmischverfahren hergestellt. Die Prozessparameter, wie Ultraschallzeit und Aushärtezeit, wurden auf der Grundlage verschiedener Charakterisierungstechniken bestimmt. Die Dispersionsqualitäten wurden mittels morphologischer und topographischer Charakterisierungen einschließlich Rasterelektronenmikroskopie (REM) und AFM untersucht. Zusätzlich wurden DC-Messungen an den Polymer/CNT-Nanokompositen durchgeführt, um die Prozessparameter in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit und der Piezoresistivität des Nanokomposits zu optimieren. Der Einfluss der Oberflächenbehandlung auf das Verhalten des Dehnungssensors wurde bewertet. Darüber hinaus wurden elektrische und piezoresistive Reaktionen unter Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen untersucht. Analytische Untersuchungen zeigen, dass die Eigenspannungen durch niedrige Depositionstemperaturen und eine Erhöhung der Schichtdicke minimiert werden können. Der Vergleich von Oberflächenbehandlungstechniken zeigt, dass die Sauerstoff-Plasma-Reinigung die Haftung an der Grenzfläche verbessert, in dem sie die Oberfläche vergrößert und die Benetzbarkeit der Oberfläche sowie die Oberflächenpolarität durch die Einführung von Funktionsgruppen verbessert. Morphologische Charakterisierungen zeigen die gute Homogenität vom Epoxid /MWCNTs Nanokompositen und die Bedeutung der Optimierung der Ultraschallzeit für die gleichmäßige Füllstoffverteilung. Darüber hinaus zeigt die AFM Analyse, dass die Oberflächenrauhigkeit durch die Entbündelung der CNT-Agglomerate für eine längere Ultraschallzeit reduziert wird. Eine übermäßige Ultraschallzeit kann jedoch zu einer höheren Rauigkeit durch Brüche von CNTs führen, die dadurch zu einer erhöhten Reagglomerationsneigung führen. Ein niedriger Perkolationsschwellenwert wurde bei einer CNT-Konzentration von 0.3 wt.% erreicht, welches deutlich niedriger als die in der Literatur berichteten CNT-Konzentrationen ist. Dies belegt die hohe Qualität des vorgeschlagenen Dispersionsprozesses. Eine höhere Empfindlichkeit wird bei dieser CNT-Konzentration mit einem annähernd linearen piezoresistiven Verhalten von etwa R 2 = 0.9904 erreicht. Die neuartigen spannungsempfindlichen Nanokompositen weisen eine gute Stabilität der Umgebungsbedingungen und eine gute Haltbarkeit im mechanischen Zyklustest auf. Darüber hinaus wird festgestellt, dass das Abtastverhalten stark von der Oberflächenrauheit abhängt. Eine hohe Stabilität und Linearität bei guter Empfindlichkeit wurde für den Sensor mit geringer Oberflächenrauigkeit beobachtet. Das Verhalten des Sensors wird durch Umweltveränderungen aufgrund von Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Daher ist eine Verkapselung des Films erforderlich, um die Feuchtigkeitsaufnahme zu minimieren. Die realisierte Verkapselung hat zusätzliche Vorteile in Bezug auf die Sensor Rückgewinnung unter mechanischer Belastung im Vergleich zu nicht gekapseltem Film gezeigt.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Polymeren in dünnen Schichtsystemen. Dazu wurden in einem geeignetem Modellsystem drei verschiedene Einflussparameter auf die Nanopartikelverteilung im Polymer und zwischen einer hydrophilen und einer hydrophoben Grenzfläche analysiert. Für eine erste Abschätzung der Verträglichkeit der einzelnen Komponenten wurden Wechselwirkungsparameter, binäre und ternäre Phasendiagramme ermittelt. Die experimentelle Charakterisierung der Nanopartikelverteilung erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit denen der theoretischen Vorbetrachtungen verglichen um herauszufinden, ob Vorhersagen zur Nanopartikelverteilung in einem Polymer möglich sind. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Nanopartikelverteilung im Polymer mit den untersuchten Parametern gezielt beeinflusst werden kann.

Polymer nanocomposites are promising materials for dielectrical use in high voltage applications and insulations. This work presents a study of nanocomposites based on poly(ethylene-co-butyl acrylate) with two different comonomer compositions and two different aluminium oxide nanoparticles. The nanoparticles were either untreated, or surface-treated with two different silanes, aminopropyl triethoxy silane and octyltriethoxy silane. The best level of dispersion was found for the polymer with 13 wt. % of butyl acrylate (EBA-13) whereas the low melt viscosity of the polymer with 28 wt. % of butyl acrylate (EBA-28) resulted in insufficient mixing with uneven dispersion as a result. Octyltriethoxy silane-treated particles were best dispersed in the polymer. The nanoparticles acted as nucleation agents in EBA-28, increasing the crystallization temperature by several degrees. Studies of the water uptake in the nanocomposite materials showed the effect of the enormous interfacial surfaces and great number of polar groups present on the nanoparticle surfaces. For the well-dispersed nanomaterials, the water sorption data could be modeled by a single Fickian equation, whereas materials that contained a sizeable fraction of large nanoparticle agglomerates showed a two stage sorption process, first a fast process associated with the saturation of the polymer phase and second, a slow diffusion process due to water sorption of large particle agglomerates. The long-term performance and interaction between the nanoparticles and the phenolic antioxidant (Irganox 1010) was investigated by differential scanning calorimetry in order to assess the oxidation induction time (OIT); the latter being proportional to the concentration of efficient antioxidant. It was found that the stabilizer was adsorbed to the untreated Al2O3 nanoparticles, resulting in a significant reduction in OIT. However, silanization of the nanoparticles resulted in an increase in OIT, compared to the materials containing untreated particles. Furthermore, it was shown that the stabilizer was not irreversibly adsorbed to the particles, allowing a gradual release of stabilizer with ageing time. / Polymera nanokompositer är lovande material för användning som dielektriskt material inom högspänningsområdet. I detta arbete studeras nanokompositer framställda av två olika sampolymerer av eten och butylakrylat (EBA-13 med 13 vikt% butylakrylat samt EBA-28 med 28 vikt% och två olika typer av nanopartiklar av Al2O3. Nanopartiklarna användes antingen som obehandlade eller efter silanisering med aminopropyltrietoxysilan- eller oktyltrietoxysilan. Den bästa partikeldispergeringen observerades för de material som baserats på EBA-13 medan den låga smältviskositeten hos EBA-28 resulterade i låga skjuvkrafter under kompounderingen och en observerat ojämn dispergering och förekomst av mikrometerstora agglomerat. Partiklar som silaniserats med oktyltrietoxysilan var lättast att dispergera. Nanopartiklarna fungerade som kärnbildare i EBA-28 vilket medförde en höjning av kristallisationstemperaturen. Vattensorptionsstudier demonstrerade dels effekten av den stora specifika gränsytan mellan partikel och matris och dels av förekomst av polära grupper lokaliserade till nämnda gränsyta. Kompositer med väldispergerade partiklar uppvisade en enkel Ficksk sorptionsprocess medan de material som innehöll en betydande mängd stora agglomerat påvisade en tvådelad process. Den första processen var kopplad till mättningen av polymermatrisen och den andra kunde länkas till vattenupptaget i de stora agglomeraten. Vidare undersöktes långtidsegenskaperna hos nanokompositerna, samt om det fanns någon växelverkan mellan nanopartiklar och en fenolbaserade antioxidant (Irganox 1010). DSC användes för att bestämma induktionstiden för oxidation (OIT) vilket är ett mått på koncentrationen av aktiv fenolisk antioxidant. Det framgick det att Irganox 1010 adsorberades på nanopartiklarna, vilket ledde till en minskning av OIT. Det framgick även att de material som innehöll silaniserade nanopartiklar hade högre OIT jämfört material med obehandlade partiklar. Antioxidanten var däremot inte irreversibelt bunden till nanopartiklarna, utan frigjordes från deras ytor och blev aktiv under åldringen. / QC 20110128

Solar-driven photocatalysis is of great interest in terms of a sustainable use of energy and its application in wastewater treatment. The UV light-driven photogeneration of H2O2 by solar irradiation is an advanced strategy for the treatment of bacteria and recalcitrant pollutants in wastewater, but suffers from low efficiencies. In this work, a solar-driven multifunctional nanocomposite consisting of Tm3+ upconverting nanoparticles, poly(vinyl alcohol), poly(acrylic acid) and hydroxylated sulfonated poly(ether ether ketone) was prepared. The components were crosslinked via a heating treatment at 170 °C, resulting in a non-leaching porous material. This nanocomposite exhibited excellent adsorption ability (89 % in 150 min) toward a 100 mg/L ciprofloxacin aqueous solution and proved to photodegrade it (50 %) upon 4 h artificial solar irradiation, exploiting photon upconversion processes. Moreover, an 80 % bactericidal effect against E. coli was registered upon sunlight irradiation. Altogether, these results suggest the feasibility of a solar-driven wastewater treatment based on upconverting nanoparticles.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von neuartigen Zinn(II)alkoxiden, deren Potential für die Zwillingspolymerisation und die Darstellung von zinnhaltigen organisch-anorganischen Nanokompositen beschrieben. Partielle Hydrolyse der Zinn(II)alkoxide führt zur Bildung von fünf- und sechskernigen Zinnoxidoclustern, die eine gute Löslichkeit in organischen polaren Lösungsmitteln besitzen. Eine Nachbehandlung der durch Zwillingspolymerisation erhaltenen Hybridmaterialien unter reduzierenden Bedingungen (Ar/H2) liefert Nanokomposite bestehend aus Zinnnanopartikeln eingebettet in eine Kohlenstoff/Siliziumdioxid-Matrix. Weiterhin werden verschiedene metallhaltige Additive wie z.B. Carboxylate in der Zwillingspolymerisation verwendet und deren Eignung zur Darstellung von zinnhaltigen Nanokompositen sowie zur Legierungsbildung mit Zinn im Nanokomposit untersucht. Mit ausgewählten Materialien werden elektrochemische Messungen durchgeführt, wobei deren potentieller Einsatz als Anodenmaterial für Lithiumionen-Batterien geprüft wird (Kooperation BASF SE, Research Performance Materials GMV/P). Die Charakterisierung der neu synthetisierten Verbindungen und Nanokomposite erfolgt unter anderem mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie, Elektronenmikroskopie sowie thermischen Analysemethoden

Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.