Die Entwicklung neuartiger transparenter Materialien durch Kombination von organischen Polymeren und anorganischen Füllstoffen wurde untersucht. Für die Synthese der nanoskopischen anorganischen Füllstoffe wurde der Sol-Gel-Prozess für Metallfluoride mit Magnesium angewandt und auf Zirkonium und Titan erweitert. Auch wurden neue Herstellungs- und Trocknungsmethoden für die daraus gewonnenen Xerogele variiert und optimiert. Die Charakterisierung der hergestellten Metallfluorid-Sole und daraus gewonnener Nanopartikel erfolgte mittels NMR- und IR-Spektroskopie sowie SAXS- und TEM-Messungen und Elementaranalysen. Zur homogenen Mischbarkeit von anorganischen Füllstoffen und organischer Polymermatrix sind Modifikationen der Partikeloberfläche notwendig. Diese erfolgten über kovalent gebundene, teilweise perfluorierte, Carbonsäuren. Der Fortschritt der Modifizierung sowie die Eigenschaften der erhaltenen modifizierten Nanopartikel wurden mittels NMR- und IR Spektroskopie, teilweise auch mittels TA, untersucht. Unter Verwendung verschiedener transparenter und industriell relevanter Polymermatrices konnten durch homogene Verteilung der Nanopartikel transparente Kompositmaterialien erhalten werden. Die Veränderung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der einzelnen neuen Materialien im Vergleich zu den reinen Polymeren wurde mittels DSC, Zugversuchen und Nanoindentation bestimmt. Zusätzlich zu diesen Anwendungsbereichen wurde der Einsatz der Nanopartikel in Elektrodenmaterialien zur Steigerung der Lebensdauer von Akkumulatoren und daraus resultierender Leistungsverbesserung untersucht. / The development of new transparent materials by combination of organic polymers and inorganic fillers was investigated. The fluorolytic sol-gel process was used to prepare fluorine containing nanoscopic inorganic fillers with magnesium, zirconium and titanium as metal components. The preparation and drying methods for the synthesis of xerogels was varied and optimized. Characterization of the metal fluoride sols and the nanoparticles obtained from the sols was executed by NMR and IR spectroscopy as well as SAXS and TEM measurements and elemental analysis. To achieve homogeneous miscibility for the inorganic fillers with the organic polymer matrix modification of the particles’ surface is crucial. This was achieved by covalent attachment of carbon acids; in case of fluorine polymers perfluorinated carbon acids were used. The progress of surface modification and the properties of the modified nanoparticles were monitored by NMR and IR spectroscopy. Based on thermal analysis, thermal stability of the modified nanoparticles was investigated. The modified metal fluoride nanoparticles were introduced into transparent and for industrial applications relevant polymer matrices. A homogeneous distribution to transparent nano composite materials was observed. The alteration of mechanical and thermal properties of the new materials was investigated by DSC, tension tests and nanoindentation and compared with the unmodified pure polymers. Another field of application of these nanoparticles is their application on electrode materials with the aim to improve electrode lifetime and to achieve a better performance of rechargeable batteries.

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit werden Zwillingsmonomere, die eine Aminogruppe über eine Alkylkette kovalent am Siliziumatom gebunden tragen, synthetisiert, organisch/anorganischen Hybridmaterialien aus diesen Monomeren hergestellt und in der Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde angewendet. Über Reaktionen der Aminogruppe mit Benzaldehyden und cyclischen Carbonsäureanhydriden am Zwillingsmonomer 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin können weitere funktionale Zwillingsmonomere synthetisiert werden. Bei der Herstellung von Hybridmaterialien liegt der Fokus auf der simultanen Zwillingspolymerisation der funktionellen Monomere mit dem Monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin]. Die erhaltenen Materialien werden mittels spektroskopischer und thermischer Verfahren untersucht. Die Zugänglichkeit der Aminogruppe in den Hybridmaterialien wird mittels Modellreaktionen untersucht. Die Zwillingsmonomere werden zudem auf verschiedene Metallsubstrate aufgebracht, polymerisiert und anschließend hinsichtlich der Oberflächenrauheit, Abriebfestigkeit und Oberflächenpolarität untersucht. Die in der Beschichtung integrierte Aminogruppe kann zur kovalenten Anbindung eines Maleinsäureanhydrid-Copolymers genutzt werden. Bei der Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunden werden Press- und Spritzgießverfahren genutzt. Hier können die funktionellen Zwillingsmonomere erfolgreich als Haftvermittler eingesetzt und auf verschiedene Metall/Thermoplast-Kombinationen angewendet werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Zielsetzung 2 Kenntnisstand 2.1 Leichtbau, Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2.1.1 Metall/Kunststoff-Hybridbauteile 2.1.2 Haftungsmechanismen 2.1.3 Methoden zur Vorbehandlung einer Metalloberfläche für die Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde 2.1.4 Prüfmethoden 2.2 Organisch/anorganische Hybridmaterialien 2.2.1 Klassifizierung von Kompositen und Hybridmaterialien 2.2.2 Synthesestrategien 2.2.3 Zwillingspolymerisation 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Amino-funktionalisierte Zwillingsmonomere 3.1.1 Synthese von amino-funktionalisierten Zwillingsmonomeren 3.1.2 Synthese von amino-funktionalisierten organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.3 Charakterisierung der organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.4 Zugänglichkeit der funktionellen Gruppe der organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.5 Trifunktionelles Zwillingsmonomer 3.2 Derivatisierung der amino-funktionalisierten ZM 3.2.1 Bildung einer Amidbindung 3.2.2 Bildung eines Azomethins 3.3 Verwendung der (simultaner) Zwillingspolymerisation zur Gestaltung von Oberflächen 3.3.1 Beschichtung unterschiedlicher Metallsubstrate 3.3.2 Mikroverschleiß 3.3.3 Optimierung des Beschichtungsvorgangs zur Generierung dünner Schichten . 3.3.4 Funktionalisierung mit Maleinsäureanhydrid-(MSA)-Copolymer 3.4 Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde 3.4.1 Herstellung im Pressverfahren 3.4.2 Herstellung im Spritzgießprozess 3.4.3 Allgemeine Betrachtungen zur Verbundfestigkeit 4 Zusammenfassung und Ausblick 4.1 Zusammenfassung 4.2 Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Geräte und Chemikalien 5.2 Synthese 5.2.1 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (1) 5.2.2 Synthese von amino-funktionalisierten Zwillingsmonomeren 5.2.3 Derivatisierung von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin (2) 5.3 Organisch/anorganische Hybridmaterialien 5.3.1 Synthese organisch/anorganische Hybridmaterialien 5.3.2 Extraktion der Hybridmaterialien 5.3.3 Umsetzung der Hybridmaterialien mit Aldehyden 5.3.4 Umsetzung der Hybridmaterialien mit tert-Butylglycidylether (t-BGE) 5.3.5 Umsetzung der Hybridmaterialien mit Methyliodid 5.4 Herstellung von Schichten mittels Zwillingspolymerisation 5.4.1 Materialien 5.4.2 Beschichtungsvorgang 5.4.3 Funktionalisierung mit MSA-Copolymer 5.4.4 Mikro-Ritzprüfung 5.4.5 Bestimmung der Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie 5.5 Herstellung von Metall/Kunstsoff-Verbunde 5.5.1 Verwendete Materialien 5.5.2 Herstellung im Pressverfahren 5.5.3 Herstellung im Spritzgießprozess 5.5.4 Prüfung 6 Anhang 6.1 Zusammensetzung Hybridmaterialien 6.2 TG-MS-Analyse der Verbindungen 1, 2, 9, 10 und 11 6.3 Thermisches Verhalten – Beobachtung DSC 6.4 1H-13C-Korrelationsspektren (gs-HSQC) ausgewählter Extrakte 6.5 XPS-Analyse der Hybridmaterialien 6.6 Betrachtungen zum Reaktionsfortschritt bei der Herstellung von Hybridmaterialien 6.7 Bestimmung der Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie - Beispiel 6.8 Bruchbilder Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Publikationen und Posterpräsentationen

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The present work demonstrates how a peptide-based material can be obtained for the biosorptive recovery of metals from contaminated industrial wastewater. Starting with Phage surface display for the initial identification and optimization of gallium-binding peptides, all the following application-focussed experiments are based on chemically synthesized peptides. Two chromatography-based biopanning methods for the identification of gallium-binding peptides from a commercial phage display library were developed. Five gallium-binding peptide sequences were identified and evaluated to show good gallium-binding properties. Furthermore, the biosorption of free gallium and arsenic by gallium-binding bacteriophage clones was investigated. A large influence of the pH-value on the respective interactions was demonstrated. Mutagenesis experiments were also carried out for a bacteriophage clone expressed peptide, in which a cysteine pair systematically replaced amino acids. Biosorption experiments with the resulting seven different bacteriophage mutants suggested a relationship between the rigidity of the peptide structure and the gallium-binding properties. In isothermal titration experiments, the thermodynamics of the interaction between gallium and the peptides as chemically synthesized derivatives were characterized, independent of the bacteriophage. The peptides differed strongly in their interaction with gallium, and in some cases, the complex formation with gallium depended strongly on the surrounding buffer conditions. The peptide with the amino acid sequence NYLPHQSSSPSR has particularly promising gallium-binding properties. Computer modeling suggests the probable structure of the peptide in aqueous solution and postulates a possible binding site for gallium. The side-selective and covalent immobilization of the peptides on a polystyrene matrix led to the creation of a biocomposite for the biosorptive recovery of gallium. The sorption performance and desorbability of the peptide-based biosorption materials were determined in studies with model solutions and real waters from the semiconductor industry.  :EIDESSTATTLICHE VERSICHERUNG II SUMMARY 7 CHAPTER I. 8 Utility of biotechnological approaches in resource technology 9 Phage Surface Display for the recovery of inorganic binding peptides 14 Gallium – Example of a high-tech metal 22 Aims and context of the present work 22 CHAPTER II. 25 Author contributions 25 Abstract 25 Introduction 26 Materials and Methods 28 2.1 Phage Display Library system 28 2.2 Biopanning experiments 29 2.3 Single clone identification 31 2.4 Single clone binding studies 31 Results 32 3.1 Immobilization of gallium ions 32 3.2 Biopanning experiments 33 3.3 Single clone binding studies 38 Discussion 39 4.1 Gallium ions as biopanning target 39 4.2 Phage clone selection 40 Conclusion 44 Acknowledgements 45 CHAPTER III. 46 Author contributions 46 Abstract 47 Introduction 47 Materials and Methods 49 2.1 Handling of phage display library clones 49 2.2 Site-directed mutagenesis experiments 50 2.3 Biosorption experiments 51 Results and Discussion 52 3.1 Experimental context 52 3.2 Original phage clone characterization 53 3.3 Site-directed mutagenesis experiments 56 3.4 Mutant phage clone characterization 57 Conclusions 59 Acknowledgements 60 CHAPTER IV. 61 Author contributions 61 Textual and graphical abstract 62 Introduction 63 Methods 65 2.1 Peptides 65 2.2 Isothermal titration microcalorimetry (ITC) 65 2.3 Preparation of peptide conjugates 65 2.4 Biosorption studies 66 2.5 Model calculation of peptide C3.8 67 Results and Discussion 68 3.1 Interaction studies of free peptides in solution 68 3.2 Biosorption studies with peptide polystyrene conjugates 71 3.2.1 Covalent and site-selective immobilization of peptides 71 3.2.2 Interaction of peptide conjugates with gallium 72 3.2.3 Interaction of peptide conjugates with arsenic 73 3.2.4 Continuous experiments 73 3.3 Model calculation for peptide C3.15 75 Counclusion 76 Acknowledgment 77 CHAPTER V. 78 Obtained insights for the selection of metal-binding peptides in biopanning experiments 79 Conclusions for the development of peptide-based materials for the biosorptive recovery of metal ions from aqueous solutions 81 REFERENCES 85 APPENDIX 94 SUPPORTING INFORMATION FOR CHAPTER IV 94 LIST OF FIGURES 99 LIST OF TABLES 100 LIST OF ABBREVIATIONS 101 LIST OF CHEMICALS 104 ACKNOWLEDGEMENTS 106 CURRICULUM VITAE 109 LIST OF PUBLICATIONS 111

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von unterschiedlichen nanostrukturierten Hybridmaterialien ausgehend von nur einem Monomer. Dabei wird ein neuartiges Monomer vorgestellt, welches in einem Prozessschritt ein Hybridmaterial bestehend aus drei Polymeren bilden kann. Dies erweitert das Konzept der Zwillingspolymerisation, bei der zwei Polymere aus einem Monomer erhalten werden. Aus diesem Grund wurde der Überbegriff „Mehrlingspolymerisation“ für die Synthese von zwei oder mehr Polymeren aus nur einem Monomer eingeführt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der gezielten Beschichtung verschiedener Partikeloberflächen mit nanostrukturierten Hybridmaterialien mittels Zwillingspolymerisation. Dabei wird der Einfluss der Oberfläche auf die Polymerisation verschiedener Zwillingsmonomere untersucht. Durch Nachbehandlung sind daraus poröse Kompositmaterialien zugänglich. Je nach Beständigkeit der Substrate sind diese in den Nachbehandlungsschritten stabil oder werden entfernt und dienen nur als Template zur Strukturierung der porösen Materialien. Es wurden unterschiedliche poröse Kohlenstoffe und Kohlenstoffkompositmaterialien hergestellt und charakterisiert. Ausgewählte Materialien wurden mit Schwefel verschmolzen und in Lithium-Schwefel-Zellen untersucht (Kooperation Dr. S. Choudhury, Leibniz-Institut für neue Materialien Saarbrücken). Die Charakterisierung der Proben erfolgte unter anderem mithilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, dynamischen Differenzkalorimetrie, Röntgenpulver-diffraktometrie, Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Thermogravimetrie und Stickstoffsorption.

In der vorliegenden Arbeit wird die Oberflächenfunktionalisierung von zwei Mischgläsern und verschiedenen SiO2-Produkten untersucht. Die Oberfläche der Partikel wird mit verschiedenen Funktionalisierungskomponenten umgesetzt, wobei eine Unterteilung in chemisch reaktiv und chemisch nicht reaktiv erfolgt. Als chemisch reaktive Oberflächengruppen werden Epoxide verwendet. Zu den chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten zählen Polydimethylsiloxan, Hexamethyldisilazan und ein tertiäres Aminosilan. Aus den funktionalisierten Sr-Glasproben kann durch Zugabe einer kationisch polymerisierenden, organischen Matrix ein Kompositmaterial hergestellt werden. Dabei ist die Bildung einer kovalenten Anbindung zwischen den chemisch reaktiven Oberflächengruppen und der organischen Matrix möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche wirkt sich auf die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Biegemodul der Kompositmaterialien aus. Durch multiple Oberflächenfunktionalisierung, d. h. einer Kombination aus chemisch reaktiven und chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten, können die Eigenschaften der Gläser gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt mittels Festkörper-NMR-Untersuchungen, XPS-Messungen und Solvatochromieuntersuchungen. Weiterhin wird die Verwendung des Preussmann-Tests zum Nachweis von kovalent an der Oberfläche gebundenen Epoxiden beschrieben.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von unterschiedlichen nanostrukturierten Hybridmaterialien ausgehend von nur einem Monomer. Dabei wird ein neuartiges Monomer vorgestellt, welches in einem Prozessschritt ein Hybridmaterial bestehend aus drei Polymeren bilden kann. Dies erweitert das Konzept der Zwillingspolymerisation, bei der zwei Polymere aus einem Monomer erhalten werden. Aus diesem Grund wurde der Überbegriff „Mehrlingspolymerisation“ für die Synthese von zwei oder mehr Polymeren aus nur einem Monomer eingeführt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der gezielten Beschichtung verschiedener Partikeloberflächen mit nanostrukturierten Hybridmaterialien mittels Zwillingspolymerisation. Dabei wird der Einfluss der Oberfläche auf die Polymerisation verschiedener Zwillingsmonomere untersucht. Durch Nachbehandlung sind daraus poröse Kompositmaterialien zugänglich. Je nach Beständigkeit der Substrate sind diese in den Nachbehandlungsschritten stabil oder werden entfernt und dienen nur als Template zur Strukturierung der porösen Materialien. Es wurden unterschiedliche poröse Kohlenstoffe und Kohlenstoffkompositmaterialien hergestellt und charakterisiert. Ausgewählte Materialien wurden mit Schwefel verschmolzen und in Lithium-Schwefel-Zellen untersucht (Kooperation Dr. S. Choudhury, Leibniz-Institut für neue Materialien Saarbrücken). Die Charakterisierung der Proben erfolgte unter anderem mithilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, dynamischen Differenzkalorimetrie, Röntgenpulver-diffraktometrie, Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Thermogravimetrie und Stickstoffsorption.

In der vorliegenden Arbeit wird die Oberflächenfunktionalisierung von zwei Mischgläsern und verschiedenen SiO2-Produkten untersucht. Die Oberfläche der Partikel wird mit verschiedenen Funktionalisierungskomponenten umgesetzt, wobei eine Unterteilung in chemisch reaktiv und chemisch nicht reaktiv erfolgt. Als chemisch reaktive Oberflächengruppen werden Epoxide verwendet. Zu den chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten zählen Polydimethylsiloxan, Hexamethyldisilazan und ein tertiäres Aminosilan. Aus den funktionalisierten Sr-Glasproben kann durch Zugabe einer kationisch polymerisierenden, organischen Matrix ein Kompositmaterial hergestellt werden. Dabei ist die Bildung einer kovalenten Anbindung zwischen den chemisch reaktiven Oberflächengruppen und der organischen Matrix möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche wirkt sich auf die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Biegemodul der Kompositmaterialien aus. Durch multiple Oberflächenfunktionalisierung, d. h. einer Kombination aus chemisch reaktiven und chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten, können die Eigenschaften der Gläser gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt mittels Festkörper-NMR-Untersuchungen, XPS-Messungen und Solvatochromieuntersuchungen. Weiterhin wird die Verwendung des Preussmann-Tests zum Nachweis von kovalent an der Oberfläche gebundenen Epoxiden beschrieben.