Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Sol-Gel-Beschichtungen durch Optimierung der Ausgangszusammensetzung und der Applikations-Parameter für den Korrosionsschutz der Aluminium-Legierung AA7075. Verschiedene Arten von Silanen, z. B. Tetraethoxysilan (TEOS), Phenyltriethoxysilan (PTES) und Phenyltrim­ethoxysilan (PTMS) sind verglichen worden: Der Sol-Gel-Film aus PTMS präpariert, weist dabei die höchste Hydrophobizität auf, was sich insbesondere in den Barriere-Eigenschaften dieser Verbindung zeigte. Die Wirkung von Essigsäure als Katalysator in Sol-Gel-Prozessen wurden untersucht, um die optimale Katalysatorkonzentration für den Korrosionsschutz der beschichteten Proben zu ermitteln. Die Korrosionsbeständigkeit der beschichteten Proben sinkt bei höheren Konzentrationen des sauren Katalysators durch die Auflösung des Aluminiumoxids an der Substratoberfläche. Allerdings führten zu niedrige Konzentrationen des Katalysators zur Verlangsamung der Hydrolysereaktionen der Silane und es bildete sich poröse Sol-Gel-Schichten. Die Wärmebehandlung der beschichteten Aluminium-Proben ist für die Vernetzung des Films erforderlich. Eine Wärmebehandlung bei 300 ˚C für 2,5 Stunden ergab dabei den besten Korrosionsschutz. Höhere Temperaturen führten zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Filme, was mit der Zerstörung des organischen Teil des Films erklärt werden kann. Darüber hinaus verursachen zu niedrige Temperaturen einen geringeren Korrosionsschutz der beschichteten Aluminium-Proben. Vermutlich ist die geringe Vernetzung des Sol-Gel-Films bei Temperaturen was für als 300 ˚C verantwortlich. Die beschichteten Aluminium-Proben wuden mittels Raster-Elektronenmikroskopie (SEM), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und elektrochemischen Techniken charakterisiert. / The present work pertains to the development of sol-gel coatings by optimizing the composition and the application parameters for corrosion protection of aluminum alloy AA7075. Different kinds of silanes e.g. tetraethoxysilane (TEOS), phenyltriethoxysilane (PTES) and phenyltrimethoxysilane (PTMS) have been compared: the sol-gel film prepared from PTMS shows highest hydrophobicity manifested by the best barrier property of this compound. The effect of acetic acid as a catalyst on the chemistry of the sol is investigated in order to estimate the best catalyst concentration for better corrosion protection of the coated samples. The corrosion resistance of the coated samples is found to be decreasing at higher concentrations of the catalyst due to the dissolution of the aluminum oxide at the substrate surface in the acid sol. However, lower concentrations of the catalyst lead to low hydrolysis reactions of the silanes and non-dense sol-gel films have been formed. The heat treatment of the coated aluminum samples is required for cross-linking of the film. The heat treatment at 300 ˚C for 2.5 hours exhibits the best corrosion protection. Higher treatment-temperatures lead to degradation of the properties of the film which can be described in terms of destroying the organic part of the film. Moreover, low treatment-temperatures cause low corrosion protection of the coated aluminum samples which is presumably attributed to the low cross-linking of the sol-gel film at temperatures less than 300 ˚C. The coated aluminum samples are characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrochemical techniques.

Polyorganosilany spadají do skupiny hybridních materiálů třídy II, které nabízejí nové možnosti materiálových funkcí a jejich vlastností. Ačkoliv byly v této kategorii již některé materiály zkoumány a stejně tak i jejich aplikace, nebyly doposud vlákna na základě polyorganosilanu v mikro a nano rozměru popsány což bylo motivací pro tuto práci. Předkládaná diplomová práce se zabývá podrobným zkoumáním poly(vinylmethyldimethoxysilanu) jako možného prekurzoru pro elektrostatické zvlákňování. Za účelem přípravy polymeru na bázi vinylmethylsilanu byla provedena radikálová polymerace a podmínky reakce byly modifikovány se záměrem změny molekulové hmotnosti získaného polymeru. Stupeň polymerace byl upravován na základě změny koncentrace iniciátoru a byl stanovován dynamickým rozptylem světla v roztoku polymeru a spektroskopickou metodou nukleární magnetické rezonance. Elektrostatické zvlákňování je velkou měrou spojeno s vlastnostmi roztoku a důraz byl proto kladen právě na zjištění těchto vlastností. Na základě experimentů bylo zjištěno, že syntetizovaný polymer je na přípravu vláken vhodný. Nicméně byly získány i fragmenty vláken a to s využitím polymeru v roztoku methanolu. Předpokladem zvlákňování je dostatek propojení mezi polymerními řetězci. Tento přístup byl studován se zapojením sol-gel postupu a bylo zjištěno, že fáze sol-gel procesu je velmi významná s ohledem na tvorbu vláken. Dalším využitým postupem pro získání vláken bylo začlenění dalšího polymeru do směsi jako nosiče a tímto postupem byla získána vlákna s různým průměrem.

La nécessité d'effectuer des prévisions climatiques fiables renforce le besoin de représenter correctement notre système Terre dans les modèles de climat. Or, les interactions entre la surface continentale et l'atmosphère restent simplistes dans la plupart des modèles de circulation générale atmosphérique (MCGAs). L'objectif de cette thèse était ainsi de contribuer à la compréhension du rôle de la surface sur le climat des régions boréales, particulièrement sensibles aux changements climatiques, et sur leur sensibilité climatique. L'introduction dans le MCGA LMDz de deux caractéristiques des terres boréales, les sols gelés et les zones inondées (lacs et zones humides), a permis de quantifier leurs impacts respectifs sur différents climats (présent, Dernier Maximum Glaciaire, futur). Les émissions de méthane atmosphérique provenant des zones humides simulées par LMDz ont été estimées depuis le DMG. Le régime thermique des sols gelés a été examiné dans les récentes réanalyses européennes.

Im Bereich der Umwelttechnik bieten sich vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Sol-Gel-immobilisierte Mikroorganismen sowohl für die Entfernung als auch für die Detektion von Schadstoffen an. Für einen effizienten Einsatz sind zum einen eine hohe Langzeitaktivität und -vitalität der eingebetteten Zellen als auch eine gute Lagerbeständigkeit wichtig. Neben einer hohen Makroporosität, die sowohl für einen guten Stoffaustausch mit der Umgebung sorgt sowie den Zellen Raum für Zellteilung bietet, ist vor allem auch die Aufrechterhaltung der Feuchtigkeit in der Immobilisierungsmatrix während der Immobilisierung, der Lagerung und des Einsatzes wichtig. Besonders vorteilhaft hat sich hier eine Immobilisierung in dünnen SiO2-Schichten auf Blähtonbruchstücken erwiesen, da dieses Trägermaterial neben einer hohen Makroporosität auch ein hohes Wasserspeichervermögen besitzt. Immobilisiert in dünnen SiO2-Schichten auf Blähton konnten diverse Schadstoff-abbauende Mikroorganismen mehrere Monate auch außerhalb eines flüssigen Mediums unter feuchten Bedingungen gelagert werden, ohne dass ihre Abbauleistung erheblich sank. Ein weiteres Verfahren um Immobilisierungsmaterialien mit überdurchschnittlich hoher Makroporosität bei gleichzeitig hoher Stabilität zu erzeugen, stellt das Freeze-Gelation Verfahren dar. Über einen Gefriertrocknungsschritt können hier zudem die zu immobilisierenden Zellen in eine trocken lagerfähige Form überführt werden, wodurch Handhabung sowie Lagerung und Transport vereinfacht werden. Außerdem kann durch Wahl der Einfrierbedingungen und Zugabe von Füllstoffen zu dem SiO2-Sol entscheidend die Porenstruktur der Immobilisierungsmatrix beeinflusst und den Anforderungen entsprechend eingestellt werden. Allerdings zeigte sich, dass diese Methode nicht für alle Mikroorganismen gleichermaßen geeignet ist. Trotz diverser kryoprotektiver Maßnahmen konnte keine ausreichende Überlebensrate für sensible Stämme wie Aquincola tertiaricarbonis L108 erzielt werden. Neben der Erhöhung der Makroporosität der SiO2-Matrix wurde versucht das Sol-Gel-Verfahren mit einem flexiblen organischen Polymer (Na-Alginat) zu kombinieren, um eine Immobilisierungsmatrix mit einem weichen Kern zu erzeugen, der Zellteilung zulässt. Als zusätzlicher Vorteil des entwickelten Alginat/SiO2-Hybridmaterials erwies sich, dass dieses auch auf einfache Weise mittels Drucktechniken in definierten Spots abgelegt werden kann und so die Zellen in Arrays abgelegt werden können. Das Potential dieser Methodik für die Entwicklung von Ganzzellsensoren wurde am Beispiel der Grünalge Chlorella vulgaris als Modell-Sensorzelle demonstriert und für die Detektion von Atrazin als Modellsubstanz eingesetzt.:Inhalt Abstract 1 Danksagung/Vorwort 2 Inhalt 4 Abkürzungsverzeichnis 6 Abbildungsverzeichnis 8 Tabellenverzeichnis 11 1 Einleitung und Motivation 12 1.1 Zielstellung der Arbeit 14 2 Grundlagen 16 2.1 Sol-Gel-Verfahren 16 2.1.1 Geschichte des Sol-Gel-Verfahrens 16 2.1.2 Chemische Grundlagen des Sol-Gel-Verfahrens 18 2.1.3 Prekursoren (Vorläufermaterialien) 19 2.1.3.1 Alkoxysilane (Siliciumalkoxide) 19 2.1.3.2 Alkalisilikate 23 2.1.4 Modifizierungsmöglichkeiten der SiO2-Matrix 24 2.1.4.1 Chemische Modifizierung 24 2.1.4.2 Physikalische Modifizierung 25 2.1.4.3 Organisch-anorganische Hybridmaterialien 26 2.1.4.4 Alginat/SiO2-Hybridmaterialien 26 2.2 Sol-Gel-Immobilisierung von Mikroorganismen 28 2.2.1 Sol-Gel-Beschichtung von Trägermaterialien 30 2.2.2 Sol-Gel-Immobilisierung in (Hydro-)Gelkörpern 33 2.2.2.1 Sonderform: Freeze-Gelation-Formkörper 35 2.2.3 Sol-Gel-Immobilisierung mittels Drucktechniken 37 3 Material und Methoden 38 3.1 Mikroorganismen 38 3.2 Freeze-Gelation-Verfahren 39 3.2.1 Zellimmobilisierung 39 3.2.2 Kryoprotektektive Maßnahmen 40 3.2.3 Charakterisierung der Freeze-Gelation-Formkörper 40 3.2.4 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffabbau 41 3.3 Beschichtung von Trägermaterialien 42 3.3.1 Synthese des SiO2-Sols 42 3.3.2 Vorbehandlung der Trägermaterialien 42 3.3.3 Zellimmobilisierung 42 3.3.4 Charakterisierung der Trägermaterialien 43 3.3.5 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffabbau 44 3.4 Alginat/SiO2-Hybridgele 44 3.4.1 Synthese amino-funktionalisierter SiO2-Sole 44 3.4.1.1 Charakterisierung der amino-funktionalisierten SiO2-Sole 45 3.4.2 Vernetzung von Na-Alginat mit amino-funktionalisiertem SiO2-So (Erzeugung von Alginat/SiO2-Hydrogelen) 45 3.4.2.1 Vorbehandlung der Trägermaterialien 45 3.4.2.2 Charakterisierung der Alginat/SiO2-Hydrogele 46 3.4.3 Zellimmobilisierung 47 3.4.3.1 Charakterisierung der immobilisierten Zellen 48 3.4.4 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffdetektion 48 3.4.4.1 PAM-Fluorometer: Atrazin 48 4 Ergebnisse und Diskussion 50 4.1 Lösungsstrategien 50 4.2 Freeze-Gelation-Formkörper 54 4.3 Sol-Gel-Beschichtung von Trägermaterialien 65 4.4 Alginat/SiO2-Hybridmaterialien 74 4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 93 5 Schlussfolgerung und Ausblick 99 6 Literaturverzeichnis 102 7 Verzeichnis eigener Publikationen 109 ANHANG 111