Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1996.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2008

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.

Metallfluoride sind dank ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität, insbesondere bei Reaktionen unter Beteiligung von hoch korrosiven Gasen (HF, HCl, Cl2, F2) den entsprechenden Oxiden überlegen. Über den Sol-Gel Prozess synthetisierte Produkte weisen oft spezifische, zum Teil sehr unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu klassisch hergestellten Verbindungen auf. In dieser Arbeit wurde der Sol-Gel Prozess zur Herstellung von binären Fluoriden (AlF3, MgF2, CaF2, CuF2 und FeF3) genutzt und zum Teil weiter entwickelt sowie das Synthesepotential dieser Methode als Zugang für komplexe Fluoride (KMgF3, K3AlF6), für Metallfluorid-geträgerte „nano Edelmetall-Systeme (Pd/AlF3, Pt/AlF3, Pd/CaF2, Pd/MgF2) und für Gast–Wirt–Metallfluorid-Systeme (CuF2/AlF3, FeF3/AlF3) untersucht. Die Eigenschaften der als kompakte Materialien hergestellten Metallfluorid Systeme wurden mit Hilfe spektroskopischer Methoden untersucht und dabei insbesondere deren Oberflächeneigenschaften bestimmt. Die neuen Materialien wurden für die Nutzung akademisch und industriell bedeutsamer Katalysereaktionen evaluiert und mit klassischen Katalysatoren verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass der Sol-Gel Prozess für Fluoride zu neuartigen Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften führt. Insbesondere infolge der Synthese-bedingten Vergrößerung der spezifischen Oberflächen um einen bis zu 20-fachen Faktor im Vergleich zu klassisch hergestellten Fluoriden konnten auch eine Reihe von katalytisch interessanten Metallen (Pd, Pt) in die nanoskopischen Festkörperfluoride eingebracht werden. Die TEM Aufnahmen zeigen, dass z. B. 2-5 nm große Palladiumpartikel sehr homogen in ca. 80 nm große CaF2- bzw. 20 nm große AlF3-Matrices in nur einem einzigen Reaktionsschritt eingeführt werden können. Die neuen Materialien wurden in verschiedenen katalytischen Reaktionen getestet und zeigten sich in mehreren Fällen den „Standard Katalysatoren“ überlegen. / Because of their high chemical and thermal stabilities, metal fluorides have found to be advantageous over metal oxides in such cases where reactions involving generation of corrosive acids like HCl and HF are concerned. The Sol-gel method is known for the synthesis of materials with considerably different properties to those prepared by classical routes. In this work, sol-gel route has been employed for the synthesis of binary fluorides (AlF3, MgF2, CaF2, CuF2 and FeF3), hydroxyfluorides [AlF3-x(OH)x, MgF2-x(OH)x] complex fluorides (KMgF3, K3AlF6), metal fluoride supported nanoscopic noble metals (Pd, Pt) and host-guest fluoride systems (CuF2/AlF3, FeF3/AlF3). Besides the successful synthesis of metal fluorides described above, the present thesis deals with investigation of their bulk and surface properties using various analytical and spectroscopic methods (XRD, BET, NH3-TPD FTIR-pyridine adsorption, XPS, microscopic studies) as well as with their catalytic properties for the reactions of academic and industrial interest. Metal fluorides prepared via sol-gel method have shown to possess extraordinary surface properties in terms of surface area, particle size, porosity, Lewis acidity and distortion in their structures as compared to those of classical methods like aqueous synthesis or impregnations. A homogeneous dispersion of Pd nanoparticles supported on high surface area metal fluoride prepared by this method was confirmed by XRD, XPS and TEM imaging. Catalytic properties of these materials have been investigated for dehydrofluorination of hydrofluorocarbons, isomerization of citronellal, hydrodehalogenation of chlorodifluoromethane, Suzuki cross coupling and oxidative fluorination of benzene.

In dieser Arbeit werden die nanoskaligen Partikel von Magnesiumfluorid (MgF2) und Calciumfluorid (CaF2), die als Nano-Metallfluoride (NMFs) bekannt sind, auf ihr Potenzial zur Verbesserung der Beständigkeit von Holz-basierten Materialien untersucht. Ihre besondere Eigenschaft der geringen Wasserlöslichkeit ist Grundlage dafür, einen langanhaltenden Schutz des behandelten Holzes aufrechtzuerhalten, indem die Auslaugung von Fluorid reduziert wird. Die Partikelgröße der synthetisierten NMFs und ihre Verteilung in behandelten Holzproben wurde charakterisiert. Rasterelektronenemikroskopaufnahmen und der zugehörigen energiedispersiven Röntgenspektroskopie zeigen, dass Aggregate dieser Partikel eine homogene verteilung in der untersuchten Holzmatrix von behandelten Proben. Die Fluoridaggregate bilden eine Schutzschicht um die Zellwände und blockieren deren Hoftüpfel, dadurch ist der mögliche Fließweg für die Wasseraufnahme ins Holz eingeschränkt. Dies zeigt sich in erhöhter Hydrophobie des mit Nano-Metallfluorid (NMF)-behandelten Holzproben. Die biozide Wirkung der NMFs wurde gegen Braunfäulepilzen (Coniophora puteana und Rhodonia placenta), am Weißfäulepilz (Trametes versicolor) und den Termiten (Coptotermes formosanus) geprüft. Im Vergleich zu unbehandelten Proben weist das mit Fluorid behandelte Holz eine höhere Beständigkeit gegen Fäulnis und Termitenfraß auf. Obwohl alle NMF-Behandlungen den durch Fäulnis verursachten Masseverlust des Holzes reduzieren, zeigt nur eine kombinierte Behandlung mit MgF2 and CaF2 eine höhere Wirksamkeit gegen Fäulnis und Termitenfraß auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass NMFs robust genug sind für Anwendungen im Freien mit Bodenkontakt. Darüber hinaus stellen sie aufgrund ihrer sehr schlechten Wasserlöslichkeit ein geringeres Risiko für die menschliche Gesundheit und Umwelt dar. Die neuartigen Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das Potenzial von NMFs, die Lebensdauer von Baumaterialien aus nicht haltbarem Holz zu erhöhen. / In this study, nanoscopic particles of magnesium fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the increased hydrophobicity of NMF treated wood. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteana and Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). Compared to untreated specimens, the NMF treated specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay and termite attack, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus. In this thesis, it was proven that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood in permanent wetness conditions. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.