The scope of this work is to fathom different possibilities to create functional coatings with polymer brushes. The immobilization of nanoparticles and enzymes is investigated, as well as the affection of their properties by the stimuli-responsiveness of the brushes. Another aspect is the coating of 3D-nanostructures by polymer brushes and the investigation of the resulting functional properties of the hybrid material. The polymer brush coatings are characterized by a variety of microscopic and spectroscopic techniques, with a special emphasis on the establishment of the combinatorial quartz crystal microbalance/spectroscopic ellipsometry technique as a tool to characterize the functional properties of the polymer brush systems insitu. The pH-responsive swelling of the polyelectrolyte brushes poly(acrylic acid) and poly(2-vinylpyridine), as well as the thermoresponsive swelling of poly(N-isopropylacryl amide) is studied in detail by this technique. Poly(2-vinylpyridine) and binary poly(N-isopropylacryl amide)-poly (2-vinylpyridine) brushes are used as templates for the insitu-synthesis of palladium and platinum nanoparticles with catalytic activity. As an example for the use of polymer brushes to immobilize enzymes, the model enzyme glucose oxidase is physically adsorbed to poly (2-vinylpyridine) and poly (acrylic acid) brushes and also covalently bound to poly (acrylic acid) brushes. In the last part of this thesis, sculptured thin films are coated with poly (acrylic acid) and poly (N-isopropylacryl amide) brushes and the swelling characteristics as well as the adsorption behavior of the model protein bovine serum albumin are investigated.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Übergangsmetallkomplexen und deren Anwendungen in der MOCVD (= metal-organic chemical vapor deposition), sowie als Precursoren zur Darstellung von Nanopartikeln und Nanokompositen. Ein Schwerpunkt dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt dabei in der Entwicklung von Me-, tBu- und SiMe3-substituierten Manganhalbsandwichkomplexen für die Generierung dünner Mangan-basierter Schichten mittels MOCVD-Technik. Die gezielte strukturelle Veränderung des Cyclopentadienyl-Liganden beeinflusst die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Verbindungen, welche systematisch untersucht werden. Ein weiteres zentrales Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung von Bis(β-diketonato)- und Allyl-(β-diketonato)-palladium(II) Verbindungen als MOCVD-Precursoren. Hierbei dienen asymmetrische β-Diketonate des Typs CH3COCCO(CH2)n (n = 3, 4) als Liganden. Zudem wird durch Substitutionsreaktionen mit Me- und tBu-Gruppen am η3-Allyl-Liganden Einfluss auf die Stabilität der Verbindungen genommen. Die Abscheidung dieser Precursoren führt, in Abhängigkeit des verwendeten Reaktivgases, zur Bildung von Palladium- bzw. Palladiumoxid-Schichten. Zudem wird die Synthese und Charakterisierung von Co(II)-Carboxylaten des Typs [Co(CO2CRR´(OC2H4)nOMe)2] (n = 1, 2; R = H, R´ = Me; R = H, R´ = Ph) beschrieben. Stellvertretend wird eine Verbindung als Single-Source Precursor zur Darstellung von Co3O4-Nanopartikeln eingesetzt. Darüber hinaus wird die Inkorporation von Co3O4-Nanopartikel in organisch-anorganische Hybridmaterialien mittels Zwillingspolymerisation vorgestellt.

Das Ziel der Promotionsarbeit ist es optisch transparente, nanoskalige Strontiumfluorid- und Ytterbiumfluorid-Sole hoher Konzentration für mögliche Anwendung in der Dentalmedizin zu synthetisieren. Über die fluorolytische Sol-Gel-Synthese ist es gelungen nanoskalige MFn-Sole (M=Sr, Yb) erfolgreich herzustellen. Die Umsetzung der Metallpräkursoren mit alkoholischer HF-Lösung im organischen Lösungsmittel führt zu transparenten, niedrig viskosen Solen. Mittels DLS, XRD und TEM wurden die Sole hinsichtlich ihrer Partikelgröße und ihres Alterungsverhaltens untersucht. Mittels WAXS-Messungen wurde das Alterungsverhalten der SrF2-Sole analysiert. Mit Hilfe der XRD und 19F-MAS-NMR-Spektroskopie wurde eine fluorhaltige, kristalline Spezies als Intermediat in der fluorolytischen Sol-Gel-Synthese des SrF2 nachgewiesen. DLS-Untersuchungen an Ytterbium-Solen zeigen eine Bildung von Partikeln im unteren Nanometerbereich sowie eine konzentrationsabhängige Partikelgrößenverteilung der Solpartikel. Die erhaltenen Xerogele sind röntgenamorph. Zudem konnten neue Yb(III)-Komplexe isoliert und strukturanalytisch charakterisiert werden. Die vorliegende Arbeit zeigt eine Möglichkeit, wie Kompositmaterialien auf Basis von nano-MFn (M=Sr, Yb) hergestellt werden können. Ausgehend von transparenten Solen konnten transparente Komposite mit einem großen Anteil an anorganischen Komponenten synthetisiert werden. Des Weiteren wurde die fluorolytische Sol-Gel-Synthese auf die Synthese von Nanopartikeln im System SrF2-YbF3 übertragen. Die Untersuchungen mittels DLS und TEM zeigen die Bildung von monodispersen Partikeln mit Partikelgrößen im unteren Nanometerbereich. Die nichtstöchiometrischen Phasen Sr1-xYbxF2+x sind durch einen weiten Homogenitätsbereich (bis ca. 50 mol-% Yb) charakterisiert und zeigen Anwendungspotential auf den Gebieten der Medizin, Zahnmedizin und Optik. / The focus of this thesis is the synthesis and characterization of nanoscopic metal fluorides for dental applications. Nanoscopic metal fluorides MFn (M = Sr, Yb) have been successfully synthesized via the fluorolytic sol-gel synthesis. The reaction of the metal precursors with alcoholic HF solution in organic solvents yields in transparent sols of high concentrations and low viscosity. DLS, TEM and XRD confirmed the formation of sol particles in the lower nm range and were used to characterize the particles as well as the aging behavior of the sols. Mechanistic insights were gained by following the reaction progress. A fluorine-containing crystalline species was detected by XRD and solid state 19F MAS NMR spectroscopy indicating the formation of an intermediate phase during the fluorolysis reaction. The investigation by DLS and TEM revealed the existence of ytterbium fluoride sol particles with diameter of approximately 5 nm. Additionally, DLS studies show a concentration dependency on particle size. XRD revealed total amorphousness of the product. In addition, new ytterbium(III) complexes were isolated and structurally characterized by X-ray analysis. Furthermore, the fluorolytic sol-gel synthesis has been modified for the preparation of transparent nanocomposite bulk materials. Large amounts of nanoscopic metal fluorides MFn (M=Sr, Yb) can be embedded in the organic polymer matrix commonly used in dentistry without facing loss of visual optical transparency. A new approach to prepare nanoparticles in SrF2-YbF3 systems via the fluorolytic sol-gel synthesis is presented. The investigations by DLS and TEM revealed the presence of monodisperse solid particles with sizes in the lower nm range. The Sr1-xYbxF2+x nonstoichiometric fluorite phases are characterized by a wide range of homogeneity (up to approx. 50 mol % Yb) and show promise of a wide range of applicability in the areas of medicine, dentistry and optics.

The structural evolution of carbon:transition metal (C:TM) nanocomposite thin films is investigated in two regimes: (i) surface diffusion governed regime occurring during the film growth and (ii) bulk diffusion dominated regime occurring during the post-deposition thermal annealing. C:V, C:Co, and C:Cu nanocomposite films were grown by ion beam co-sputtering. The influence of the metal type, metal content (15-40 at.%), substrate temperature (RT-500°C), and annealing temperature (300-700°C) on the structure and morphology of the composite is studied by the means of elastic recoil detection analysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and Raman spectroscopy. Vanadium (copper) is in carbidic (metallic) state in the whole temperature range of the study. In contrast, cobalt is in carbidic state up to 300°C and becomes metallic at higher growth temperatures. The nanoparticles in C:V films exhibit a globular shape at RT-500°C, whereas in C:Co and C:Cu films a growth transition from globular to elongated nanoparticles occurs around 300°C. The comparison of the Raman spectroscopy results from carbon reference and C:TM thin films shows that the presence of the metal during growth significantly enhances the formation of sixfold ring carbon clusters at temperatures as low as RT. The enhancement occurs independently of the nanoparticle size, shape, and phase, and metal content, and is related to processes taking place on the nanoparticle surface of the growing film rather than in the bulk. The degree of enhancement depends on the TM type and content. Post-deposition annealing of C:Co and C:Cu films at 700°C causes the metal segregation at the film surface, while no changes upon annealing occur in C:V films. In addition, cobalt brings about the carbon graphitization by a dissolution-diffusion-precipitation mechanism, similar to the metal-mediated crystallization of amorphous silicon or germanium. No graphitization upon annealing occurs in C:V, C:Cu, and carbon reference films. / Die Strukturentwicklung in Kohlenstoff-Übergangsmetall-Nanokompositschichten wird in zwei Bereichen untersucht: (i) im oberflächendiffusionsgesteuerten Bereich während des Schichtwachstums und (ii) im bulkdiffusionsdominierten Bereich während des nachträglichen Temperns. C:V, C:Co und C:Cu Nanokompositschichten wurden durch Ionenstrahl Co-Sputtern hergestellt. Der Einfluss des Metalltyps, des Metallgehalts (15-40 at.%), der Substrattemperatur (RT-500°C) und der Temperatur beim Tempern (300-700°C) auf die Struktur und Morphologie des Komposits wird mittels elastischer Rückstoßteilchen-Analyse, Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Ramanspektroskopie untersucht. Vanadium (Kupfer) ist im gesamten Temperaturbereich der Studie in karbidischem (metallischen) Zustand. Im Gegensatz dazu befindet sich Kobalt bis zu einer Temperatur von 300°C in karbidischem Zustand und wird bei höheren Abscheidetemperaturen metallisch. Die Nanopartikel in C:V Filmen besitzen eine runde Form im Temperaturbereich von RT bis 500°C wohingegen bei den C:Co und C:Cu Filmen ein Übergang von runden zu länglichen Partikeln bei etwa 300°C zu beobachten ist. Der Vergleich der Ramanspektroskopieresultate der Kohlenstoffreferenzproben und der Nanokompositschichten zeigt, dass die Anwesenheit des Metalls während des Schichtwachstums die Bildung von sechsatomigen Kohlenstoffringclustern bei Temperaturen so niedrig wie Raumtemperatur deutlich fördert. Die Erhöhung tritt unabhängig von der Partikelgröße, -form und phase und unabhängig vom Metallgehalt auf, und betrifft eher Prozesse, die auf der Oberfläche der Nanopartikel während des Schichtwachstums stattfinden als im Bulk. Der Grad der Erhöhung hängt vom Metalltyp und -gehalt ab. Nachträgliches Tempern der C:Co und C:Cu Filme bei 700°C führt zur Segregation des Metalls an der Schichtoberfläche während in den C:V Filmen keine Veränderungen durch das Tempern auftreten. Des weiteren kommt es in den C:Co Filmen zur Graphitisierung des Kohlenstoffs durch einen „Lösungs-Diffusions-Ablagerungs“ Mechanismus ähnlich der metallvermittelten Kristallisierung in amorphem Silizium und Germanium. In den C:V, C:Cu und Kohlenstoffreferenzfilmen findet keine Graphitisierung während des Temperns statt.

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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Übergangsmetallkomplexen und deren Anwendungen in der MOCVD (= metal-organic chemical vapor deposition), sowie als Precursoren zur Darstellung von Nanopartikeln und Nanokompositen. Ein Schwerpunkt dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt dabei in der Entwicklung von Me-, tBu- und SiMe3-substituierten Manganhalbsandwichkomplexen für die Generierung dünner Mangan-basierter Schichten mittels MOCVD-Technik. Die gezielte strukturelle Veränderung des Cyclopentadienyl-Liganden beeinflusst die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Verbindungen, welche systematisch untersucht werden. Ein weiteres zentrales Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung von Bis(β-diketonato)- und Allyl-(β-diketonato)-palladium(II) Verbindungen als MOCVD-Precursoren. Hierbei dienen asymmetrische β-Diketonate des Typs CH3COCCO(CH2)n (n = 3, 4) als Liganden. Zudem wird durch Substitutionsreaktionen mit Me- und tBu-Gruppen am η3-Allyl-Liganden Einfluss auf die Stabilität der Verbindungen genommen. Die Abscheidung dieser Precursoren führt, in Abhängigkeit des verwendeten Reaktivgases, zur Bildung von Palladium- bzw. Palladiumoxid-Schichten. Zudem wird die Synthese und Charakterisierung von Co(II)-Carboxylaten des Typs [Co(CO2CRR´(OC2H4)nOMe)2] (n = 1, 2; R = H, R´ = Me; R = H, R´ = Ph) beschrieben. Stellvertretend wird eine Verbindung als Single-Source Precursor zur Darstellung von Co3O4-Nanopartikeln eingesetzt. Darüber hinaus wird die Inkorporation von Co3O4-Nanopartikel in organisch-anorganische Hybridmaterialien mittels Zwillingspolymerisation vorgestellt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann. / In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K.

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

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

The poly(glycidyl methacrylate)-modified magnetite nanoparticles, Fe3O4-PGMA NPs, were investigated and applied in nondestructive flaw detection of polymeric materials in this research. The Fe3O4 endowed magnetic property to the materials for flaw detection while the PGMA promoted colloidal stability and prevented particle aggregation. The magnetite nanoparticles (Fe3O4 NPs) were successfully synthesized by coprecipitation and then surface-modified with PGMA to form PGMA-modified Fe3O4 NPs by both grafting-from and grafting-to approaches. For the grafting-from approach, the Fe3O4 NPs were surface-functionalized with α-bromo isobutyryl bromide (BIBB) to form BIB-modified Fe3O4 NPs (Fe3O4-BIB NPs) with covalent linkage. The resultant Fe3O4-BIB NPs were used as surface-initiators to grow PGMA by surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). For the grafting-to approach, the Fe3O4 NP were surface-functionalized with (3-mercaptopropyl)triethoxysilane (MCTES) to form MCTES-modified Fe3O4 NPs (Fe3O4-MCTES NPs). The PGMA with Br-end group was pre-synthesized by ATRP and then was grafted to the surface of the Fe3O4-MCTES NPs by coupling reaction. Both bare and modified Fe3O4 NPs exhibited superparamagnetism and the existence of iron oxide in the form of Fe3O4 was confirmed. The particle size of individual Fe3O4 NPs was about 8 – 24 nm but they aggregated to form clusters. The PGMA-modified NPs formed stable dispersion in chloroform and had larger cluster sizes than the unmodified ones because of the PGMA polymer layer. However, the uniformity of the NP clusters could be improved with PGMA surface grafting. The PGMA surface layer of the grafting-from (Fe3O4-gf-PGMA) NPs was thin and dense while that of the grafting-to (Fe3O4-gt-PGMA) NPs was thick and loose. The hydrodynamic diameters (Zave) of Fe3O4-gf-PGMA NP clusters could be controlled between 176 to 643 nm, dependent on the PGMA contents and reaction conditions. During SI-ATRP, side reactions happened and caused NP aggregation as well as increase of size of NP clusters. However, the aggregation has been minimized through optimization of reaction conditions. Oppositely, Zave values of Fe3O4-gt-PGMA NPs had little variation of about 120 – 190 nm. And the PGMA content of the Fe3O4-gt-PGMA NPs was limited to 12.5% because of the spatial hindrance during grafting process. The saturation magnetization (Ms) of the unmodified Fe3O4 NPs was about 77 emu/g, while those of the grafting-from and grafting-to Fe3O4-PGMA NPs were 50 – 66 emu/g and 63 – 70 emu/g, respectively. For Fe3O4-PGMA NPs with similar Fe3O4 contents, the grafting-to NPs had slightly higher Ms than the grafting-from counterparts. In addition, the Ms of both kinds of the Fe3O4-PGMA NPs with higher Fe3O4 content (> 87%) were also higher than that of the fluidMAG-Amine, the commercially available amine-modified MNPs. Besides, both kinds of Fe3O4-PGMA NPs also had much higher Fe3O4 contents and Ms values than most of the reported PGMA-modified MNPs. The magnetic epoxy nanocomposites (MENCs) were prepared by blending the modified Fe3O4 NPs into bisphenol A diglycidyl ether (BADGE)-based epoxy system and the distributions of both kinds of the PGMA-modified NPs were much better than that of the oleic acid-modified Fe3O4 NPs. Similar to the NPs, the MENCs also exhibited superparamagnetism. By cross-section TEM observation, the grafting-to Fe3O4-PGMA NPs formed more homogeneous distributions with smaller cluster size than the grafting-from counterparts and gave higher Ms of the MENCs. Nondestructive flaw detection of surface and sub-surface defects could be successfully achieved by brightness contrast of images given through eddy current testing (ET) method, which is firstly reported. The mechanical properties of the materials were influenced very slightly when 2.5% or lower Fe3O4-gt-PGMA NPs were present while the presence of the Fe3O4-gf-PGMA NPs (1 – 2.5 %) gave mild improvement of the storage modulus and increase of the glass-rubber transition temperature(Tg) of the MENCs. Furthermore, the Fe3O4-PGMA NPs could be evenly coated onto the functionalized ultra-high molecular weight poly(ethylene) (UHMWPE) textiles. The Fe3O4-gt-PGMA NPs were coated on the textile in order to prepare NP-coated textile-reinforced composite. Preliminary result of ET measurement showed that the Fe3O4-gt-PGMA NPs coated on the textiles could visualize the structure of the textile hidden inside and their relative depth. Accordingly, the incorporation of MNPs to polymers opens a new pathway of damage-free structural health monitoring of polymeric materials.