Metals and valuable metal compounds are important parts of our everyday lives with applications ranging from aluminum foil over circuit boards to high-performance alloys for engineering and buildings construction. Large-scale metal production processes provide access to metals contained in numerous naturally occurring ores, earths and minerals and should be considered one of the major drivers of industrialization, leading to a continuous increase in living standards. Thereby, metals are often present in the form of oxides or other compounds of low reactivity and high stability. This makes metal extraction an often energy-intensive, environmentally problematic endeavor, relying on high reaction temperatures around 1000 °C or aggressive, corrosive and toxic chemicals. A disruptive, new approach for more sustainable metal production could be ionometallurgy, i.e., metal extraction by means of ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DESs). ILs, per definition, are salts with a melting point below 100 °C, while DESs are eutectic mixtures of two or more reagents with a melting point below that of the individual components. Both classes of materials feature favorable properties, such as a good solubility for many inorganic salts. Ionometallurgy is a seemingly simple approach, dissolving metal oxides at moderate temperature in an IL or DES and subsequently either electrodepositing the respective metal or producing valuable metal compounds by downstream chemistry. This thesis elucidated the general feasibility of the direct ionometallurgical metal production from metal oxides in two betaine-based solvents, namely the IL betainium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([Hbet][NTf2]) and a DES consisting of betaine hydrochloride, urea and glycerol in the molar ratio 1 : 4 : 2.5 ([Hbet]Cl/4U/2.5GLY). Initial solubility studies involved a broad screening of the reaction behavior of numerous metal oxides with different properties regarding the position of the metal in the periodic table, its oxidation state as well as the basicity of the oxide. Exploiting the Brønsted-acidic functional group of the betainium cation, metal oxide dissolution in this case follows the principle of an acid-base reaction. Correspondingly, [Hbet][NTf2] favors the dissolution of basic or amphoteric metal oxides, while acidic metal oxides remain unaffected. In-depth investigations were performed for the examples of copper, cobalt and aluminum and identified the metal oxide lattice energy, the crystal structure and the reaction temperature as well as complex stabilities of the metal ions as additional factors to influence the solubility. How additives can affect the reaction outcome in multiple ways was shown for the example of chloride. In the copper system, small amounts of chloride act catalytically, while larger concentrations not only decrease the reaction time but also exhibit a structure-directing effect. For cobalt oxides, chloride is assumed to be reaction-driving due to the high chloride affinity of cobalt(II). These results were supported by seven new crystal structures found in the course of these investigations. Thereby, for the first time, metal oxide dissolution in [Hbet][NTf2] was systematically investigated under water-poor conditions. Abstaining from aqueous IL solutions, although water was shown to promote metal oxide dissolution, enables access to several metals via electrodeposition. This is facilitated by the large electrochemical windows of [Hbet][NTf2] and [Hbet]Cl/4U/2.5GLY, amounting to −2.0–1.4 V and −2.3–0.9 V, respectively. Copper, cobalt, nickel, tin, lead, zinc, and small amounts of vanadium were shown to be electrochemically reducible, whereas manganese, molybdenum and aluminum could not be electrodeposited within the electrochemical stability range of the IL or DES. For the deposition of the noble metal copper, the chloride content, the deposition temperature and additional organic solvents were identified as crucial parameters for the deposition potential as well as the quality of the deposit. By copper-coating a steel plate, a potentially industrially relevant application was demonstrated. Compared to the conventional industrial process for copper production, this ionometallurgical approach could imply a significant simplification and proceed at much lower reaction temperatures. Starting from tenorite or oxidic copper waste, copper coatings could directly be producible avoiding multiple process steps. Furthermore, the cobalt system revealed, that the thorough understanding of the complex equilibria present in solution is crucial for the successful electrodeposition of the metal. Thus, no deposits were obtained when anionic [CoCl4]2– was the predominant cobalt complex species. The adjustment of the cobalt-to-chloride ratio is a suitable method to generate sufficient amounts of cationic cobalt complexes, allowing for the deposition of the metal. Overall, several metals were directly produced from their oxides by the ionometallurgical approach at temperatures below 175 ℃. This means a significant temperature reduction compared to the conventional processes. Encouragingly, [Hbet][NTf2] already showed first promising results when applied to industrially relevant starting materials, such as black mass for the recycling of lithium ion batteries or bauxite as a highly relevant, naturally occurring aluminum resource. While this qualifies ionometallurgy in principle as a considerable improvement regarding process sustainability, the impact of [Hbet][NTf2] and [Hbet]Cl/4U/2.5GLY was analyzed in more depth. Thereby, the recyclability of the solvents is considered a very important factor for the efficient implementation of ionometallurgy in larger scale. First experiments in a two-compartment electrochemical cell showed that metals can be electrodeposited cathodically with a tailorable anode reaction. The oxygen evolution reaction in an aqueous electrolyte proved as suitable benign oxidation reaction in the anode half cell. The intactness of [Hbet][NTf2] after metal electrodeposition in this set-up was evidenced by NMR spectroscopy, qualifying the IL for reuse in principle. As opposed to this, decomposition reactions were identified to take place in both the IL and the DES. At 175 °C, [Hbet][NTf2] undergoes the chloride-induced decomposition via a Hunsdieker and a Deacon reaction, which is avoidable by a lower reaction temperature of 150 °C. NMR studies suggest that [Hbet][NTf2] does not decompose during the ionometallurgical process at this temperature. However, in the case of [Hbet]Cl/4U/2.5GLY, NMR and mass spectrometric studies proved the degradation via several decomposition pathways at 60 °C already. These decomposition reactions change the composition of the DES, which also affects the solubility of metal oxides. The thermal and chemical stability of [Hbet][NTf2] and [Hbet]Cl/4U/2.5GLY, besides other factors, have direct implications for their consideration as green solvents. Thus, [Hbet][NTf2] should only be used at reaction temperatures below 150 °C. Furthermore, its industrial application might be impeded by the expensive and toxic [NTf2]– anion. While betaine-based solvents can be easily accessible due to the natural abundance of betaine, the synthesis effort of the [NTf2]– anion makes [Hbet][NTf2] a considerably expensive IL. [Hbet]Cl/4U/2.5GLY is cheaper and easier to be synthesized from naturally abundant substances, yet not a considerable option due to its decomposition at low temperature already. Its thermal and chemical instability pose hardly surmountable obstacles regarding the recycling and the toxicity of [Hbet]Cl/4U/2.5GLY. Thus, both [Hbet][NTf2] and [Hbet]Cl/4U/2.5GLY do not qualify as green solvents and more benign alternatives should be found in the future. Altogether, this thesis showed that the ionometallurgical production of metals from their oxides is possible and, moreover, could be a sustainable alternative to conventional processes. The presented investigations extend our understanding of metal oxide chemistry in ILs or DESs and provide proofs of concept, laying a foundation for further work that leaves numerous opportunities for ongoing exploration and optimization. Hence, ionometallurgy could be one step to face the urgent challenge of climate change.

With the advancements in the field of wireless sensor networks (WSNs), more and more applications require the sensor nodes to have long lifetime. Energy harvesting sources, e.g. thermoelectric generators (TEGs), can be used to increase the lifetime and capability of the WSNs. Integration of energy harvesters into sensor nodes of WSNs can realize self powered systems, providing the possibility for maintenance free WSNs. TEGs can convert the existing temperature differences into electricity. The efficiency of TEGs is directly related to the dimensionless figure of merit (ZT) of materials, which is given as ZT=σS^2 T/k, where σ is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, k is the thermal conductivity, T is the temperature and σS^2 is the power factor. Traditional thermoelectric (TE) materials are based on inorganic materials, of which the thermal conductivity is high. Over the past decade, the use of nanostructuring technology, e.g. superlattice, could decrease the thermal conductivity in order to enhance the efficiency of TE materials. However, the high cost and the rigidity of inorganic TE materials are limiting factors. As alternatives, polymer based materials have become the research focus due to their intrinsic low thermal conductivity, high flexibility and high electrical conductivity. Moreover, polymer based materials could be fabricated in solution form, giving the possibility for employing printing techniques hence a decrease in the production cost. Unlike the typical approach, in which secondary dopants are added into PEDOT:PSS solutions to modify the power factor of polymer films, this thesis is focused on a more efficient method to improve TE properties. This thesis demonstrates for the first time that post treatment of PEDOT:PSS films with the secondary dopant DMSO as the medium results in a much larger power factor than the traditional addition method. The post treatment method also avoids the usually required mixing step involved in the addition method. Different solvents were selected to discuss the impact factors in the modification of the power factor by this post treatment approach. The post treatment of PEDOT:PSS films was then extended to utilize a green solvent EMIMBF_4 (an ionic liquid) as the medium. EMIMBF_4 is found to exchange ions with PEDOT:PSS films. As a result, the EMIM^+ cations remain in the films and reduce the oxidation level of PEDOT chains, which affects the Seebeck coefficient and the electrical conductivity. Furthermore, TE materials based on hybrid composites with polymer as the matrix and Te nanostructures as the nanoinclusions were investigated. This thesis successfully developed a green synthesis method to obtain Te nanostructures, in which a non toxic reductant and a non toxic Te sources were used. Well controlled Te nanostructures including nanorods, nanowires and nanotubes were synthesized by wet chemical and hydrothermal synthesis. Those as synthesized Te nanowires were then integrated into PEDOT:PSS solution for composite films fabrication. A high Seebeck coefficient up to 200 μV/K was observed in the composite film. / Mit den Weiterentwicklungen der Drahtlosen Sensornetzwerke (engl. WSN, wireless sensor networks) stellen immer mehr Anwendungen die Forderung einer langen Lebensdauer der Sensorknoten. Energiegewinnungssysteme (engl. Energy Harvesters) wie z.B. thermoelektrische Generatoren (TEGs) können genutzt werden, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der WSN zu steigern. Mit der Integration von Energy Harvesters können WSN ohne äußere Stromversorgung realisiert und somit die Möglichkeit zur Wartungsfreiheit geschaffen werden. TEGs liefern Energie durch die Umwandlung einer Temperaturdifferenz in Elektrizität. Die Effektivität der TEG ist direkt verbunden mit der Material-Kennzahl ZT und ist gegeben durch ZT=σS^2 T/k, wobei σ die elektrische Leitfähigkeit ist, S der Seebeck Koeffizient, k die thermische Leifähigkeit, T die Temperatur und σS^2 der Leistungsfaktor. Herkömmliche thermoelektrische (TE) Materialien basieren auf anorganischen Materialien, von denen die thermische Leitfähigkeit hoch ist. Im Laufe des letzten Jahrzehnts konnte durch den Einsatz der Nanostrukturierung die thermische Leitfähigkeit verringern werden um damit die Effizienz von TE-Materialien zu steigern. Die Steifigkeit dieser Materialien ist ein anderer Aspekt. Als Alternative für anorganische TE Materialien sind Polymer basierte TE Materialien zum Fokus der Forschung geworden aufgrund einer intrinsisch niedrigen thermischen Leitfähigkeit, hohen Flexibilität und hohen elektrischen Leitfähigkeit. Des Weiteren können diese Polymere in gelöster Form verarbeitet werden, was die Möglichkeit für den Einsatz von Drucktechnologien und damit geringeren Produktionskosten gibt. Anders als der herkömmliche Ansatz den Leistungsfaktor der Polymerfilme durch die Ergänzung von sekundären Dotanten in PEDOT:PSS Lösungen zu verändern, wurde in dieser Arbeit eine effizientere Methode zur Verbesserung der TE Eigenschaften gesucht. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten mit sekundären Dotanten Dimethylsulfoxid (DMSO) als Medium der Nachbehandlung zu einem viel höheren Leistungsfaktor führt als bei der Zugabemethode und außerdem die sonst erforderliche Mischprocedur vermeidet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel ausgewählt um die Einflussfaktoren bei der Modifikation des Leistungsfaktors durch die Nachbehandlung von Polymerschichten zu diskutieren. Die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten wurde nachfolgend erweitert um das umweltfreundliche Lösungsmittel EMIMBF4 (eine ionische Flüssigkeit) als das Medium einzusetzen. EMIMBF4 ist bekannt für den Austausch von Ionen mit PEDOT:PSS Schichten, so dass EMIM Kationen in der Schicht verbleiben, die Oxidationsstufe der PEDOT-Ketten senken und damit den Seebeck-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen. Des Weiteren konzentriert sich diese Arbeit auf TE Materialien basierend auf Kompositen aus Polymeren mit Nanoeinlagerungen. Erfolgreiche Syntheseansätze wurden für Tellur-Nanostrukturen entwickelt, bei denen keine giftigen Reduktionsmittel und keine giftigen Tellur-Quellen zur Verwendung kamen. Es erfolgte die Erzeugung von kontrollierten Tellur-Nanostrukturen, einschließlich Nanostäben, Nanodrähten und Nanoröhren, mit nass-chemischer und hydrothermaler Synthese. Die so hergestellten Nanodrähte wurden dann in PEDOT:PSS Lösungen integriert für die Herstellung von Komposite-Schichten. Dabei konnte ein hoher Seebeck-Koeffizienten, bis zu 200 μV/K, festgestellt werden.

Systems of interacting colloidal particles are ideal tools for studies of pattern formation and collective non-equilibrium dynamics on the mesoscopic scale. These processes are governed by the interaction between the particles, which can be tuned by sophisticated fabrication. In this thesis, self-assembly of artificially designed magnetic spheres dispersed in water has been studied via video microscopy. The particles are based on silica microspheres with hemispherical ferromagnetic coating of [Co/Pd] multilayers with perpendicular magnetic anisotropy. These particles are exceptional in that they exhibit an off-centered net magnetic moment and yet obey rotational and mirror symmetry. It has been demonstrated how these magnetic properties provide innovative flexibility in pattern formation and collective dynamics based on magnetostatic interactions on the mesoscopic scale. The results are supported by analytical and numerical calculations of interacting spheres with radially shifted point dipoles (sd-particles). In two dimensions, the particles spontaneously self-assemble into branched structures as a result of a bistable assembly behavior where neighboring particles exhibit a non-collinear magnetic orientation. It has been shown that these features, which are atypical for homogeneous systems of magnetic particles, can be reproduced by simulation. It employs a theoretical model of a sphere that contains a distribution of three radially shifted point dipoles in analogy to the magnetization distribution in the coated particles. The stability of the assembly has been examined further by external manipulation using optical tweezers and homogeneous magnetic fields. A rich variety of stable structures with diverse spatial and magnetic ordering has been found. Particularly, the collective alignment of the specially designed particles in external fields opens completely new possibilities for the remote control over reversible pattern formation on the micrometer scale. In time-dependent fields, the collective dynamics of the anisotropic particles has revealed a novel approach for magnetically actuated translation. The variety of stable structures particularly enables control over this motion. / Kolloidale Suspensionen sind geeignete Systeme zur Untersuchung von Strukturbildung und kollektiver Nichtgleichgewichtsdynamik in mesoskopischen Größenskalen. Diese Vorgänge werden durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen bestimmt, welche durch geeignete Partikelherstellung angepasst werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein System von künstlich hergestellten magnetischen Partikelsuspensionen mittels Videomikroskopie untersucht. Quarzglas-Mikrokugeln wurden halbseitig mit einer ferromagnetischen Dünnschicht aus [Co/Pd] Multilagen mit senkrechter Anisotropie beschichtet. Solche Partikel sind ausgezeichnet durch ein resultierendes magnetisches Moment mit Rotations- und Spiegelsymmterie, welches zusätzlich vom Mittelpunkt der Kugel verschoben ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Besonderheit zu einer bisher unbekannten Flexibilität bei der mesoskopischen Strukturbildung und der kollektiven Dynamik auf der Basis magnetostatischer Wechselwirkung führt. Die vorgestellten Ergebnisse werden durch analytische und numerische Berechnungen unterstützt, denen ein Modell einer idealen Kugel mit verschobenem Dipol zugrunde liegt. Die zweidimensionale Selbstanordnung der Partikel zeigt experimentell zwei stabile Formen der Verknüpfung, welche zu verzweigten Strukturen mit unterschiedlich magnetischer Ausrichtung benachbarter Partikel führen. Diese für ein homogenenes System magnetischer Partikel außergewöhnlichen Eigenschaften konnten in Simulationen durch ein Modellsystem aus Kugeln mit drei verschobenen Punktdipolen reproduziert werden. Darüber hinaus wurde die spontante Anordnung unter externer Manipulation mittels optischer Pinzette und magnetischen Feldern untersucht. Es konnte eine Vielfalt an stabilen Strukturen mit verschiedenen magnetischen und strukturellen Anordnungen gefunden werden. Insbesondere die kollektive Ausrichtung dieser Partikel in externen Feldern eröffnet neuartige Möglichkeiten, kontrolliert und reversibel Mikrostrukturen zu erzeugen. In zeitabhängigen Feldern zeigen die anisotropen Partikel zusätzlich eine kollektive Dynamik welche eine neue Möglichkeit zum magnetischen Antrieb von Partikelagglomeraten eröffnet. Die Vielfalt der möglichen stabilen Strukturen erlaubt es in besonderer Weise diese Bewegung zu steuern.

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine experimentelle Untersuchung der Schichtbildung von nichtnewtonschen Flüssigkeiten im Tiefdruckverfahren auf nicht saugfähigen Substraten. Das fluiddynamisch bedingte „viscous fingering“ beim Farbspaltungsprozess soll mittels Hydrophobieren der Druckform gehemmt werden. Ziel ist es, möglichst homogene sowie wellenfreie Schichten zu erzeugen. Um ein direkt miteinander vergleichbares Druckergebnis zu erhalten, wird der Druckstoff parallel mit einer unbehandelten und hydrophobierten Form bedruckt. Als Druckstoff werden anstelle von Druckfarbe funktionale Materialien (vorzugsweise PEDOT:PSS) verwendet und variiert, wobei die elektrischen und geometrischen Schichteigenschaften, beispielsweise der elektrische Widerstand und die Rauheit, zur Ermittlung der gesetzten Ziele untersucht wurden. Hiermit und mittels Nutzung einer hydrophobierten Druckform kann eine deutliche Minderung der Wellenbildung (viscous fingering) bei vielen Druckstoffarten beobachtet werden. Die Minderung des viscous fingering im Farbspaltungsprozess und eine nahezu vollständige Leerung der hydrophobierten Tiefdruckform haben einen wesentlichen Nutzwert für den künftigen Einsatz nicht nur für die „gedruckte Elektronik“. / In this work is described experimental research about layer forming from non-Newtonian fluids in gravure printing on non-porous substrates. The viscous fingering, caused through fluid dynamics at splitting of printed material should be decreased by hydrophobic-surface modification of gravure printing form. The aim was to print wave-free homogenous layers. To achieve comparable results, modified and pure form were used simultaneously to print the same material. The printed material was mainly PEDOT:PSS and other, which is used in printed electronics. The properties (surface tension, viscosity) of printed materials were varied by additives. Printing conditions were varied too. The characteristic of printed layers were studied: resistivity, roughness, density, etc. The results shows decreasing of waviness, roughness and viscous fingering in final layer through use of hydrophobic gravure printing form, compared to print results with common printing form. This can be applied not only in the field of printed electronics.

The concept of a self-incompatible solvent is introduced as a molecule composed of two parts (compound 1 and 2) with unfavourable interactions. A third compound will be readily dissolved in this solvent to diminish this unfavourable interaction by dilution. The more incompatible compounds 1 and 2 are, the stronger this behaviour is expected to be. In this work, ionic liquids comprising non-polar carbon chain and polar ionic group are chosen to serve as a model of self-incompatible solvent. The interactions parameters k of the ionic liquids with active ingredients are investigated to examine the effect of self-incompatibility of the ionic liquid molecule. On the other hand, phase separation between compounds 1 and 2 will reduce the positive effect of self-incompatibility. The tendency of phase separation is increasing with increasing size of the two compounds. Thus, if compounds 1 and 2 are blocks tied together into a block copolymer, one expects a decreasing ability of the block copolymer to dissolve an active ingredient with increasing block length. In this work the ability of polybutadiene-block-poly(2-vinylpyridine) (PB-b-P2VP) block copolymers to dissolve the model compound anthracene is investigated. As expected, the solubility indeed decreases with increasing block length.

Die Charakterisierung hochdimensionaler Systeme mit Lyapunov-Instabilität wird durch das Lyapunov-Spektrum und die zugehörigen Lyapunov-Vektoren ermöglicht. Für eine Vielzahl von derartigen Systemen (Coupled-Map-Lattices, Hartkugel-Systeme, Systeme mit ausgedehnten Potentialen ...) konnte durch die Untersuchung der Lyapunov-Vektoren die Existenz von hydrodynamischen Lyapunov-Moden nachgewiesen werden. Diese kollektiven Anregungen zeigen sich in Lyapunov-Vektoren, deren Lyapunov-Exponenten dem Betrage nach am kleinsten sind. Da Lyapunov-Exponenten charakteristische Zeitskalen innerhalb der Systeme repräsentieren, ist durch die Lyapunov-Moden eine Untersuchung des Langzeitverhaltens möglich. In dieser Arbeit werden die hydrodynamischen Lyapunov-Moden durch Molekulardynamiksimulationen von mehrkomponentigen Lennard-Jones-Flüssigkeiten untersucht. Die Charakterisierung der Lyapunov-Moden zeigt im weiteren eine Ähnlichkeit zu Dispersionsrelationen von Phononen.

Die experimentelle Charakterisierung von Phasengleichgewichten (Flüssigkeit-Dampf und Flüssigkeit-Flüssigkeit) erfolgte in binären und ternären Systemen aus aromatischen bzw. aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Phenolen und Wasser. Die Trübungstitration diente der Bestimmung von Flüssigkeit-Flüssigkeit-Gleichgewichten, auftretende koexistierende flüssige Phasen wurden analytisch charakterisiert. Mit Hilfe der dynamischen Methode erfolgte die Bestimmung der Flüssigkeit-Dampf-Gleichgewichte. Die Modellierung der binären Systeme und die Vorausberechnung der ternären Systeme erfolgten mit den Aktivitätskoeffizientenmodellen NRTL und UNIQUAC. Weiterhin wurden die Berechnungen mit der von Elliott, Suresh und Donohue entwickelten Zustandsgleichung (ESD) durchgeführt, welche einen die assoziierenden Wechselwirkungen berücksichtigenden Term beinhaltet. Ferner wurden mit der Gruppenbeitragsmethode UNIFAC die untersuchten binären und ternären Systeme vorausberechnet. Beide Aktivitätskoeffizientenmodelle können bei der simultanen Modellierung der verfügbaren Phasengleichgewichtsdaten für nahezu alle betrachteten binären Systeme mit sehr guten Ergebnissen überzeugen. Bei der Modellierung mit der Zustandsgleichung ESD müssen deutlich höhere Abweichungen akzeptiert werden. Die Ergebnisse der Modellierung der binären Systeme lassen sich nicht adäquat auf die Vorausberechnung der ternären Systeme übertragen. UNIQUAC Modell und Zustandsgleichung ESD zeigen im Mittel die geringsten Unterschiede zwischen vorausberechneten und experimentellen Phasengleichgewichten. Deutlich höhere Abweichungen treten im Mittel bei Verwendung des NRTL Modells bzw. der Gruppenbeitragsmethode UNIFAC auf. Die Annahme, mit Hilfe der expliziten Berücksichtigung der Assoziation mit Zustandsgleichung ESD eine deutliche Verbesserung bei der Vorausberechnung entsprechender Phasengleichgewichten zu erzielen, konnte lediglich für Flüssigkeit-Flüssigkeit-Gleichgewichte in Systemen mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen bestätigt werden. / The experimental characterizations of phase equilibria (vapor-liquid and liquid-liquid) were determined in binary and ternary systems containing aliphatic and aromatic hydrocarbons, phenols and water. Liquid-liquid equilibria were measured by turbidity titration. The compositions of coexisting phases were determined with analytic methods. The vapor-liquid equilibria were determined by the dynamic method. The correlation of the binary systems and the prediction of the ternary systems were performed with the activity coefficient models NRTL and UNIQUAC. Furthermore the calculations were realized with an equation of state (ESD) developed by Elliott, Suresh and Donohue, which contain a term for association. Additional predictions of investigated binary and ternary systems were performed with the group contribution method UNIFAC. Both activity coefficient models convinced with satisfactory results by the simultaneously correlation of the available equilibria data for almost all investigated binary systems. The correlations with the ESD equation of state were performed with higher deviations. A transfer of the results of the binary correlations into the ternary predictions is not possible. The UNIQUAC model and the ESD equation of state performed on average with minor deviations between predicted and experimental phase equilibria. Higher deviations were calculated using the NRTL model respectively the group contribution method UNIFAC. Only liquid-liquid equilibria in systems contain aliphatic hydrocarbons indicates improved prediction results based on the consideration of the association.

Ionic liquids (ILs) have made a great impact on materials science and are being explored for potential applications in several disciplines. In this article, we briefly highlight the current state-of-the-art techniques employing ILs as new crystallisation media, working as neutral solvent, template or charge compensating species. The use of an IL as environmental friendly solvent offers many advantages over traditional crystallisation methods. The change from molecular to ionic reaction media leads to new types of materials being accessible. Room temperature ILs have been found to be excellent solvent systems for the crystallisation of a wide range of substances and morphologies ranging from nanoscopic crystals to micro- and even to macroscopic crystals. Moreover, high temperature routes, such as crystallisation from melts or gas phase deposition, have been replaced by convenient room or low temperature syntheses, employing ILs as reaction media. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Elastomere werden während ihrer Lebensdauer meist mechanisch und thermisch besonders stark beansprucht. Dadurch sind sie einem hohen Verschleiß und einer Abnutzung ausgesetzt, die zum Versagen des Materials führen. Dabei können schwerwiegende Folgen für Maschine und Mensch entstehen. Eine elegante Möglichkeit diesen Erscheinungen entgegenzuwirken bietet die Entwicklung von selbstheilenden Materialien. Durch reversible Vernetzungen können Mikro- und Makrorisse verschlossen und die Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen erheblich gesteigert werden. Eine mögliche reversible Vernetzung ist die Bildung ionischer Cluster. Die in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus gerückten polyionischen Flüssigkeiten (PIF) bieten, aufgrund ihres hohen Anteils an ionischen Gruppen (meist in jeder Wiederholeinheit), eine gute Voraussetzung für eine ionische Modifizierung von Elastomeren. Ziel dieser Arbeit war es in kommerziell erhältlichem Brombutylkautschuk (BIIR) durch Modifizierung mit polyionischen Flüssigkeiten (PIF) selbstheilende Eigenschaften hervorzurufen. Dabei sollte die Reversibilität der ionischen Clusterbildung ausgenutzt werden. Aufgrund des zu erwartenden großen Einflusses der Beweglichkeit der ionischen Komponente wurden drei unterschiedliche Konzepte verfolgt, bei denen die Mobilität der PIF-Phase durch Reaktionen mit der BIIR-Matrix im unterschiedlichen Maße eingeschränkt wurde. Zum einen wurde der BIIR reaktiv mit PIF geblendet, sodass sowohl kovalente als auch nichtkovalente Vernetzungen erfolgten (Konzept 1). Nach diesem Konzept ist die Mobilität der ionischen Gruppen stark begrenzt. In einem weiteren Konzept erfolgte eine einseitige Pfropfung von PIF an den BIIR (Konzept 2). Dadurch wurde eine kovalente Vernetzung vermieden und die Beweglichkeit der PIF nur leicht eingeschränkt. Weiterhin erfolgte nach Konzept 3 ein nichtreaktives Blenden mit PIF, wodurch die freie Beweglichkeit der PIF-Phase gewährleistet war. Dafür war vorgesehen den BIIR zunächst mit niedermolekularen Alkylimidazolen ionisch zu modifiziert. Dadurch sollten alle reaktiven Stellen im BIIR blockiert und die Kompatibilität mit der PIF erhöht werden. Als Blendkomonenten wurden drei unterschiedliche PIF synthetisiert. Neue PIF (A Serie) konnten über polymeranaloge Umsetzungen von Poly(butadien-co-maleinsäureanhydrid) hergestellt werden. Hierzu wurden zunächst die Anhydridgruppen des Polymers mit 1,(3 Aminopropyl)imidazol und dann in einem zweiten Schritt mit Alkylbromid umgesetzt. In einer weiteren Serie (B-Serie) wurde Polyvinylimidazol mit Alkylbromid umgesetzt. Beide Synthesemethoden haben den Vorteil, dass durch variable Umsetzung mit verschiedenen Alkylbromiden bzw. durch Co-Umsetzung mit Alkylamiden (A-Serie) sowie durch Ionenaustausch das Eigenschaftsniveau in weitem Maße variiert und dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Insbesondere konnten durch Teilumsetzung Proben erhalten werden, welche reaktive Gruppen besitzen, die für die kovalente Bindung mit BIIR geeignet waren. Bei einer weiteren Serie (C-Serie) erfolgte die Synthese über eine Stufenwachstumsreaktion eines AB Monomers. Hierbei stand im Mittelpunkt inwieweit ein gerichteter Kettenaufbau erfolgt. Das war insofern wichtig, da diese Monomere für die einseitige Pfropfung mit BIIR vorgesehen waren, bei der eine kovalente Vernetzung vermieden wird. Durch MALDI-TOF-Untersuchungen konnte dieser gerichtete Kettenaufbau nachgewiesen werden. Die mechanischen Eigenschaften der nach den drei Konzepten hergestellten Blends wurden mit DMA-Untersuchungen und Zug-Dehnungsexperimenten ermittelt. Vergleichend wurde ein konventionell mit Schwefel vernetzter BIIR herangezogen. Besonders gute mechanische Eigenschaften wurden mit den Blends nach Konzept 2 und 3 erreicht, welche vergleichbar und teils deutlich besser waren als der schwefelvernetzte BIIR. Nach diesen beiden Konzepten erfolgte die Vernetzung ausschließlich über die Bildung ionischer Cluster. Diese reversiblen Bindungen sorgen für eine starke Vernetzung des BIIR die vergleichbar bzw. stärker ist als die kovalenten Bindungen mit Schwefel. Eher schlechte mechanische Eigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 1 beobachtet werden. Die kovalenten Verknüpfungen über die PIF sorgen für eine relativ lose und weitmaschige Vernetzung des BIIR. Die ermittelten Vernetzungsdichten sind deutlich niedriger im Vergleich zum schwefelvernetzten BIIR. Die zusätzlichen reversiblen Vernetzungspunkte durch die ionische Clusterbildung wirken sich aufgrund der eingeschränkten Mobilität schwächer aus als in den anderen Konzepten. Neben den hergestellten Blends wurden auch die ionisch modifizierten BIIR-Proben separat untersucht. Diese zeigten besonders bei der Verwendung von kurzkettigen Alkylimidazolen herausragende mechanische Eigenschaften. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der Bildung von stärkeren und kompakteren ionischen Clustern. Für die Testung der Selbstheilungseigenschaften wurden an zerschnittenen und geheilten Probekörper Zugversuche durchgeführt und mit den Werten der unbehandelten Probekörper verglichen. Um eine reproduzierbare Probenvorbereitung zu gewährleisten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Schneidevorrichtung entwickelt, in der die Heilungsversuche unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Gute Selbstheilungseigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 3 beobachtet werden. Die vorherige Modifizierung des BIIR mit längeren Alkylimidazolen wirkte sich dabei besonders vorteilhaft auf die Heilung der Proben aus. Ebenfalls sehr gute Heilungsraten konnten für die Blends nach Konzept 1 ermittelt werden. Jedoch zeigt diese Art der Modifizierung aufgrund der geringen mechanischen Stabilität das geringste Potential für mögliche industrielle Anwendungen. Für die Blends nach Konzept 2 wurden eher schlechte Heilungsraten ermittelt. Die ausschließlich ionisch modifizierten Proben zeigten die mit Abstand beste Selbstheilung, wobei die Verwendung von langkettigen Alkylimidazolen für die Heilung vorteilhaft ist. Im Vergleich mit aus der Literatur bekannten elastomeren Materialien konnten deutlich bessere Bruchspannungen für geheilte und unbehandelte Probekörper erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass über die ionische Modifizierung von BIIR nach den drei vorgestellten Konzepten Materialien mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und herausragender Selbstheilung hergestellt werden konnten. Es zeigte sich, dass diese Eigenschaften eng mit der Mobilität der für die reversible Vernetzung verantwortlichen ionischen Gruppen verknüpft sind. Der Vergleich mit einem konventionell schwefelvernetzten BIIR zeigte, dass die physikalische Vernetzung über die Bildung von ionischen Clustern (Konzept 2 und 3) vergleichbar bzw. stärker ist. Weiterhin sind diese Materialien rezyklierbar, da bei höheren Temperaturen ein Schmelzen durch Auflösen der ionischen Cluster zu erwarten ist. Diese Verbesserungen gegenüber dem schwefelvernetzten BIIR zeigen deutlich das Potential dieser Materialen für mögliche Anwendungen in der Industrie.

Die Arbeit befaßt sich mit binären Legierungssystemen, die eine geringe Mischbarkeit der Komponenten im festen Zustand und eine Entmischungstendenz in der Schmelze aufweisen. Die Nahordnung in den binären Legierungsschmelzen Ag-Bi, Bi-Cu und Cu-Pb wird über einen großen Konzentrationsbereich mit Röntgenbeugung untersucht, die Nahordnung und die mittelreichweitige Ordnung in der Ga-Tl-Schmelze hingegen im kritischen Bereich mit Neutronenweitwinkel- und Kleinwinkelbeugung. Ag-Bi und Bi-Cu sind eutektische Systeme mit einem Wendepunkt in der Liquiduslinie, während die Systeme Cu-Pb und Ga-Tl monotektisch sind und eine Mischungslücke im flüssigen Bereich aufweisen. Die Arbeit stellt die verwendeten Beugungsmethoden vor und beschreibt die Röntgendiffraktometrie besonders ausführlich. Die erhaltenen Strukturfaktoren und Paarverteilungsfunktionen werden dargestellt und mit anderen Untersuchungen verglichen. Durch Modellierung werden charakteristische Eigenheiten der Entmischungssysteme wie die Aufspaltung des ersten Maximums, die negativen Faber-Ziman-Strukturfaktoren bei kleinen Q-Werten und die schwache Struktur bei großen Q-Werten qualitativ wiedergegeben. Im Fall der Bi-Cu Schmelze wird durch Kombination von Daten aus Röntgen- und Neutronenbeugung mit Reverse Monte Carlo Simulation ein neuer Satz von partiellen Strukturfaktoren ermittelt, bei dem die partiellen Strukturfaktoren S_{BiCu}(Q) für die Bi-Cu-Wechselwirkung über den gesamten Konzentrationsbereich zuverlässiger sind als zuvor. Mit der Kleinwinkelstreuung werden die Konzentrationsfluktuationen im kristischen Bereich der Ga-Tl-Legierungsschmelze quantitativ beschrieben. / (Short- and medium-range order in the binary liquid alloys : Ag-Bi, Bi-Cu, Cu-Pb, Ga-Tl) The short-range order (SRO) and the medium-range order (MRO) are investigated in binary alloys with a negligible solubility of the components in the solid state and a demixing tendency in the liquid state. Ag-Bi and Bi-Cu are eutectic systems with an inflexion point in the liquidus line; Cu-Pb and Ga-Tl are monotectic with a miscibility gap in the liquid state. The SRO in the Ag-Bi, Bi-Cu and Cu-Pb melts is studied by means of X-ray diffraction over a large concentration range, whereas wide-angle and small-angle neutron scattering are used for investigation of the SRO and MRO of the Ga-Tl melt near the critical concentration. The diffraction methods used in the work are presented. The treatment of the X-ray scattering data is discussed in detail. The obtained Faber-Ziman total structure factors S(Q) and pair correlation functions g(r) are plotted and compared with results from the literature. The peculiarities of S(Q) such as the splitting of the first maximum, the negative Faber-Ziman structure factors in the Q-range near 1 Å^-1, the vanishing structure oscillations for Q-values beyond the first maximum are described qualitatively with a simple demixing model. In the case of the Bi-Cu melt, the contrast between X-Ray and neutron diffraction is used to assess the partial structure factors with Reverse Monte Carlo simulation. It is shown that the MRO of the Ga-Tl melt at the critical concentration is well described with a correlation length in the Ornstein-Zernike theory.