Für die hochselektive technische Trennung von Stoffen hält die Natur eine optimale Lösung namens Zeolithe bereit. In dieser Arbeit wurden Zeolith 4A in Form von Partikeln und wenig permeables Polymer in einer Membran kombiniert. Die Partikel lagen dabei in einer Monolage vor und wurden lediglich seitlich vom Polymer eingefasst, sodass sie beide Oberflächen der Polymerschicht durchbrachen. Diese Einbettung zu so genannten Zeolithkompositmembranen erlaubt einen Stofftransport ausschließlich durch die hochselektiven Zeolithpartikel. Die Herstellung und Charakterisierung der Zeolithkompositmembranen stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Für die Membranherstellung kam das Prinzip der partikelassistierten Benetzung einer Wasseroberfläche zum Einsatz. Hierfür wurden die Zeolithpartikel beschichtet und anschließend das unverändert zugängliche Porensystem mittels Thermogravimetrie in Wasseradsorptions-Desorptionsmessungen nachgewiesen. Aus beschichteten Partikeln und passendem Monomer konnten schichtdickenoptimierte Zeolithkompositmembranen hergestellt werden. Es wurde eine Permeabilität P für Wasserdampf von 49 barrer festgestellt, während die Gase Stickstoff und Sauerstoff keinen Transportnachweis zuließen (P < 0,03 barrer). Daraus ergeben sich Selektivitäten von über 1600. Die Durchlässigkeit für Wasser beweist ein offenes Porensystem, die Impermeabilität für Stickstoff und Sauerstoff deutet auf eine sehr geringe Defektdichte hin, was beste Voraussetzungen für Trennmembranen darstellt. Das Herstellungsprinzip soll als Vorlage für die Präparation maßgeschneiderter Kompositmembranen mit wählbarer Porengröße dienen. Vergleiche zu konventionellen Zeolithmembranen belegen, dass die partikelassistierte Benetzung die Methode der Wahl ist, partikelförmiges hochselektives Material optimal einzubetten, ohne die begehrten Permeationseigenschaften zu beeinträchtigen. / An optimal material for highly selective separation processes can be found in zeolites. We prepared composite membranes composed of zeolite 4A particles and a polymer of low permeability. The particles formed a dense monolayer which were embedded into the polymer sheet in such a way that each particle prenetrates both the top and the bottom surface of the sheet. Only this embedding offffers a transport through the highly selective particles exclusively. This work focusses on these so called zeolite composite membranes, on their preparation and characterization. The preparation of the membranes was done via particle assisted wetting on a water surface. Therefore the zeolite particles were coated by a suitable silane agent and a blocking of the pore openings by the coating process was disproved by water adsorption-desorption measurements via TGA. Using the coated particles and a suitable monomer composite membranes could be formed and the optimum thickness was found. The membranes were permeable for water vapor (permeability P = 49 barrer), but impermeable for nitrogen and oxygene (P < 0,03 barrer (detection limit)). This results in a selectivity of above 1600. The permeability for water indicates that the molecules are transported through the zeolite channels. The impermeability for nitrogene and oxygene indicates a very low amount of defects. Furthermore the composite nature of the membrane reduces brittleness thus rendering it a promising candidate for separation technology with tailoring the pore size.

Spreading of mixtures of oil with suitable silica particles onto a water surface leads to the formation of composite layers in which particles protrude at the top and at the bottom from the oil. Solidification of the oil and removal of the particles give rise to porous membranes. Pore widths and membrane thicknesses depend on particle sizes and usually are in the range of 70 – 80% of their diameters. Often freely suspended porous membranes are too fragile to operate them in pressure filtration without supportive structure. To improve mechanical stability of porous membranes, a mixture of silica particles with an oil is spread onto a nonwoven fibrous support that was drenched with water. Solidification of the oil and removal of particles yields porous membrane attached to the fibers of the support. Due to inhomogeneous surface of the fabric, the membranes that are attached to it are corrugated. To obtain flat supportive structures, glass beads with 75 μm in diameter are spread onto the water surface with the oil. Solidification of the oil and then removal of particles gives rise to porous membranes with pore diameters in micrometer range. Another concept of improvement of mechanical stability is the preparation of asymmetric membranes via spreading of a mixture of two sorts of particles with opposite surface properties with the oil onto the water surface. After solidification of the oil and removal of particles, membranes with pores width in the range from 30 – 50 nm are obtained. Slow removal of silica particles from composite monolayer that floats on the water surface gives rise to silica rings in intermediate stages of removal. Mixed matrix membranes with embedded carbon molecular sieves are prepared in a similar process as detailed above by using carbon particles instead of silica. Carbon molecular sieves protrude at the top and bottom from the polymeric matrix. Theoretical prediction of permeability and selectivity through these membranes are much higher than in membranes where particles are smaller than the membrane thickness. / Spreitet man Mischungen eines Öls mit geeigneten Kieselgelpartikeln auf eine Wasseroberfläche, führt dies zur Bildung gemischter Schichten, in denen die Partikel auf der Ober- und Unterseite aus dem Öl herausragen. Härtet man das Öl aus und entfernt die Partikel, erhält man poröse Membranen mit einheitlichen Poren. Dabei hängen die Porenweiten und Membrandicken von der Partikelgröße ab und betragen üblicherweise 70 – 80 % von deren Durchmesser. Oft sind freitragende poröse Membranen zu zerbrechlich um mit ihnen Druckfiltration ohne Stützstruktur durchzuführen. Um die mechanische Stabilität von porösen Membranen zu erhöhen spreitet man eine Mischung aus Kieselgelpartikeln und einem Öl auf einem Vliesstoff, der mit Wasser getränkt ist. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu einer porösen Membran, die an die Fasern der Stützstruktur angeheftet ist. Durch die inhomogene Oberfläche des Vliesgewebes sind die daran angehefteten Membranen gewellt. Um eine ebene Stützstruktur zu erhalten, werden Mischungen aus dem Öl und Glaskugeln mit einem Durchmesser von 75 μm verwendet. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu ebenen porösen Membranen mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich. Ein weiteres Konzept, um die mechanische Stabilität zu erhöhen, ist die Herstellung asymmetrischer Membranen mit Hilfe des Spreitens einer Mischung zweier Partikelsorten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften mit dem Öl auf die Wasseroberfläche. Nach dem Aushärten des Öls und der Entfernung der Partikel erhält man eine asymmetrische Membran mit kleinen Porenweiten an der Oberseite und großen Porenweiten an der Unterseite. Durch langsames Entfernen der Kieselgelpartikel aus der gemischten Schicht, die auf der Wasseroberfläche schwimmt, kann man in einem Zwischenstadium Kieselgelringe erhalten. Kompositmembranen (mixed matrix membranes) mit eingebetteten Kohlenstoffmolekularsieben werden in einem gleichen Prozess wie oben beschrieben hergestellt, indem man Kohlenstoffpartikel anstatt der Kieselgelpartikel verwendet. Die Kohlenstoffmolekularsiebe ragen auf der Ober- und Unterseite aus der Polymermatrix heraus. Die theoretisch vorhersagten Durchlässigkeiten und Selektivitäten solcher Membranen sind wesentlich höher als bei Membranen, in denen die Partikel kleiner als der Membrandicke sind.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von porösen Membranen mit integrierter Stützstruktur, wobei ihre Membrandicke geringer als ihr Porendurchmesser ist. Derartige Membranen können unter dem Begriff Mikrosiebe zusammengefasst werden und versprechen ein hohes Anwendungspotential als Filtermedien in industriellen und medizinischen Bereichen. Für die Membranstabilisierung werden Gewebe, extrudierte Gitter und Gewirke eingesetzt und erforscht. Gleichzeitig erfolgt die Weiterentwicklung eines bestehenden Herstellungsverfahrens von Membranen, welche nach dem Prinzip der partikelassistierten Benetzung (PAB) hergestellt werden. Die verschiedenen Stützstrukturen werden direkt bei der Membranherstellung fest in diese integriert. Weiterhin werden verschiedene Herstellungsparameter, wie zum Beispiel das Membranmaterial, die Funktionalisierung der Porenbildner und die leichtflüchtige Komponente gezielt untersucht und optimiert. Somit können mechanisch stabilisierte Membranen hergestellt werden, welche einen Durchmesser von bis zu 10 cm aufweisen. Für die abschließende Charakterisierung werden Filtrationsversuche und Stabilitätsmessungen durchgeführt.

Spreading of mixtures of oil with suitable silica particles onto a water surface leads to the formation of composite layers in which particles protrude at the top and at the bottom from the oil. Solidification of the oil and removal of the particles give rise to porous membranes. Pore widths and membrane thicknesses depend on particle sizes and usually are in the range of 70 – 80% of their diameters. Often freely suspended porous membranes are too fragile to operate them in pressure filtration without supportive structure. To improve mechanical stability of porous membranes, a mixture of silica particles with an oil is spread onto a nonwoven fibrous support that was drenched with water. Solidification of the oil and removal of particles yields porous membrane attached to the fibers of the support. Due to inhomogeneous surface of the fabric, the membranes that are attached to it are corrugated. To obtain flat supportive structures, glass beads with 75 μm in diameter are spread onto the water surface with the oil. Solidification of the oil and then removal of particles gives rise to porous membranes with pore diameters in micrometer range. Another concept of improvement of mechanical stability is the preparation of asymmetric membranes via spreading of a mixture of two sorts of particles with opposite surface properties with the oil onto the water surface. After solidification of the oil and removal of particles, membranes with pores width in the range from 30 – 50 nm are obtained. Slow removal of silica particles from composite monolayer that floats on the water surface gives rise to silica rings in intermediate stages of removal. Mixed matrix membranes with embedded carbon molecular sieves are prepared in a similar process as detailed above by using carbon particles instead of silica. Carbon molecular sieves protrude at the top and bottom from the polymeric matrix. Theoretical prediction of permeability and selectivity through these membranes are much higher than in membranes where particles are smaller than the membrane thickness. / Spreitet man Mischungen eines Öls mit geeigneten Kieselgelpartikeln auf eine Wasseroberfläche, führt dies zur Bildung gemischter Schichten, in denen die Partikel auf der Ober- und Unterseite aus dem Öl herausragen. Härtet man das Öl aus und entfernt die Partikel, erhält man poröse Membranen mit einheitlichen Poren. Dabei hängen die Porenweiten und Membrandicken von der Partikelgröße ab und betragen üblicherweise 70 – 80 % von deren Durchmesser. Oft sind freitragende poröse Membranen zu zerbrechlich um mit ihnen Druckfiltration ohne Stützstruktur durchzuführen. Um die mechanische Stabilität von porösen Membranen zu erhöhen spreitet man eine Mischung aus Kieselgelpartikeln und einem Öl auf einem Vliesstoff, der mit Wasser getränkt ist. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu einer porösen Membran, die an die Fasern der Stützstruktur angeheftet ist. Durch die inhomogene Oberfläche des Vliesgewebes sind die daran angehefteten Membranen gewellt. Um eine ebene Stützstruktur zu erhalten, werden Mischungen aus dem Öl und Glaskugeln mit einem Durchmesser von 75 μm verwendet. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu ebenen porösen Membranen mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich. Ein weiteres Konzept, um die mechanische Stabilität zu erhöhen, ist die Herstellung asymmetrischer Membranen mit Hilfe des Spreitens einer Mischung zweier Partikelsorten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften mit dem Öl auf die Wasseroberfläche. Nach dem Aushärten des Öls und der Entfernung der Partikel erhält man eine asymmetrische Membran mit kleinen Porenweiten an der Oberseite und großen Porenweiten an der Unterseite. Durch langsames Entfernen der Kieselgelpartikel aus der gemischten Schicht, die auf der Wasseroberfläche schwimmt, kann man in einem Zwischenstadium Kieselgelringe erhalten. Kompositmembranen (mixed matrix membranes) mit eingebetteten Kohlenstoffmolekularsieben werden in einem gleichen Prozess wie oben beschrieben hergestellt, indem man Kohlenstoffpartikel anstatt der Kieselgelpartikel verwendet. Die Kohlenstoffmolekularsiebe ragen auf der Ober- und Unterseite aus der Polymermatrix heraus. Die theoretisch vorhersagten Durchlässigkeiten und Selektivitäten solcher Membranen sind wesentlich höher als bei Membranen, in denen die Partikel kleiner als der Membrandicke sind.

Für die hochselektive technische Trennung von Stoffen hält die Natur eine optimale Lösung namens Zeolithe bereit. In dieser Arbeit wurden Zeolith 4A in Form von Partikeln und wenig permeables Polymer in einer Membran kombiniert. Die Partikel lagen dabei in einer Monolage vor und wurden lediglich seitlich vom Polymer eingefasst, sodass sie beide Oberflächen der Polymerschicht durchbrachen. Diese Einbettung zu so genannten Zeolithkompositmembranen erlaubt einen Stofftransport ausschließlich durch die hochselektiven Zeolithpartikel. Die Herstellung und Charakterisierung der Zeolithkompositmembranen stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Für die Membranherstellung kam das Prinzip der partikelassistierten Benetzung einer Wasseroberfläche zum Einsatz. Hierfür wurden die Zeolithpartikel beschichtet und anschließend das unverändert zugängliche Porensystem mittels Thermogravimetrie in Wasseradsorptions-Desorptionsmessungen nachgewiesen. Aus beschichteten Partikeln und passendem Monomer konnten schichtdickenoptimierte Zeolithkompositmembranen hergestellt werden. Es wurde eine Permeabilität P für Wasserdampf von 49 barrer festgestellt, während die Gase Stickstoff und Sauerstoff keinen Transportnachweis zuließen (P < 0,03 barrer). Daraus ergeben sich Selektivitäten von über 1600. Die Durchlässigkeit für Wasser beweist ein offenes Porensystem, die Impermeabilität für Stickstoff und Sauerstoff deutet auf eine sehr geringe Defektdichte hin, was beste Voraussetzungen für Trennmembranen darstellt. Das Herstellungsprinzip soll als Vorlage für die Präparation maßgeschneiderter Kompositmembranen mit wählbarer Porengröße dienen. Vergleiche zu konventionellen Zeolithmembranen belegen, dass die partikelassistierte Benetzung die Methode der Wahl ist, partikelförmiges hochselektives Material optimal einzubetten, ohne die begehrten Permeationseigenschaften zu beeinträchtigen. / An optimal material for highly selective separation processes can be found in zeolites. We prepared composite membranes composed of zeolite 4A particles and a polymer of low permeability. The particles formed a dense monolayer which were embedded into the polymer sheet in such a way that each particle prenetrates both the top and the bottom surface of the sheet. Only this embedding offffers a transport through the highly selective particles exclusively. This work focusses on these so called zeolite composite membranes, on their preparation and characterization. The preparation of the membranes was done via particle assisted wetting on a water surface. Therefore the zeolite particles were coated by a suitable silane agent and a blocking of the pore openings by the coating process was disproved by water adsorption-desorption measurements via TGA. Using the coated particles and a suitable monomer composite membranes could be formed and the optimum thickness was found. The membranes were permeable for water vapor (permeability P = 49 barrer), but impermeable for nitrogen and oxygene (P < 0,03 barrer (detection limit)). This results in a selectivity of above 1600. The permeability for water indicates that the molecules are transported through the zeolite channels. The impermeability for nitrogene and oxygene indicates a very low amount of defects. Furthermore the composite nature of the membrane reduces brittleness thus rendering it a promising candidate for separation technology with tailoring the pore size.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung nicht hierarchischer und hierarchischer, poröser Polymermembranen mittels eines Templatverfahrens. Bei der Herstellung der hierarchischen Membranen wird eine Stützschicht mit mikrometergroßen Mulden und eine aktive Membranschicht mit submikrometergroßen Poren in einem Arbeitsschritt und aus einem Material erzeugt. Als Template für die Poren der nicht hierarchischen Membranen bzw. Mulden der hierarchischen Membran in der Stützschicht dienen Flüssigkeitstropfen. Diese werden auf Substraten mit Bereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit erzeugt. Die Substrate werden anschließend mit einer Polymerlösung überschichtet, welche im Falle der hierarchischen Membranen sphärische, monodisperse Siliziumdioxidpartikel enthält. Die Siliziumdioxidpartikel ordnen sich bevorzugt in der Grenzfläche zwischen den Templattropfen und der Polymerlösung an. Nach Verdunsten des Lösungsmittels, Entfernen des Substrats und ggf. der Siliziumdioxidpartikel werden poröse Polymermembranen erhalten. Die nicht hierarchischen weisen Poren in der Größe der Templattropfen aus. Die hierarchischen Membranen zeigen dagegen eine Stützstruktur mit mikrometergroßen Mulden, entstanden durch die Templattropfen und eine Schicht auf der Oberseite der Membran mit submikrometergroßen Poren, die durch die Siliziumdioxidpartikel gebildet wurden. Außerdem wird gezeigt, wie das dargelegte Verfahren auf die Herstellung von Membranen aus dem Monomer VISIOMER HEMA-TMDI übertragen werden konnte

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von porösen Membranen mit integrierter Stützstruktur, wobei ihre Membrandicke geringer als ihr Porendurchmesser ist. Derartige Membranen können unter dem Begriff Mikrosiebe zusammengefasst werden und versprechen ein hohes Anwendungspotential als Filtermedien in industriellen und medizinischen Bereichen. Für die Membranstabilisierung werden Gewebe, extrudierte Gitter und Gewirke eingesetzt und erforscht. Gleichzeitig erfolgt die Weiterentwicklung eines bestehenden Herstellungsverfahrens von Membranen, welche nach dem Prinzip der partikelassistierten Benetzung (PAB) hergestellt werden. Die verschiedenen Stützstrukturen werden direkt bei der Membranherstellung fest in diese integriert. Weiterhin werden verschiedene Herstellungsparameter, wie zum Beispiel das Membranmaterial, die Funktionalisierung der Porenbildner und die leichtflüchtige Komponente gezielt untersucht und optimiert. Somit können mechanisch stabilisierte Membranen hergestellt werden, welche einen Durchmesser von bis zu 10 cm aufweisen. Für die abschließende Charakterisierung werden Filtrationsversuche und Stabilitätsmessungen durchgeführt.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung nicht hierarchischer und hierarchischer, poröser Polymermembranen mittels eines Templatverfahrens. Bei der Herstellung der hierarchischen Membranen wird eine Stützschicht mit mikrometergroßen Mulden und eine aktive Membranschicht mit submikrometergroßen Poren in einem Arbeitsschritt und aus einem Material erzeugt. Als Template für die Poren der nicht hierarchischen Membranen bzw. Mulden der hierarchischen Membran in der Stützschicht dienen Flüssigkeitstropfen. Diese werden auf Substraten mit Bereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit erzeugt. Die Substrate werden anschließend mit einer Polymerlösung überschichtet, welche im Falle der hierarchischen Membranen sphärische, monodisperse Siliziumdioxidpartikel enthält. Die Siliziumdioxidpartikel ordnen sich bevorzugt in der Grenzfläche zwischen den Templattropfen und der Polymerlösung an. Nach Verdunsten des Lösungsmittels, Entfernen des Substrats und ggf. der Siliziumdioxidpartikel werden poröse Polymermembranen erhalten. Die nicht hierarchischen weisen Poren in der Größe der Templattropfen aus. Die hierarchischen Membranen zeigen dagegen eine Stützstruktur mit mikrometergroßen Mulden, entstanden durch die Templattropfen und eine Schicht auf der Oberseite der Membran mit submikrometergroßen Poren, die durch die Siliziumdioxidpartikel gebildet wurden. Außerdem wird gezeigt, wie das dargelegte Verfahren auf die Herstellung von Membranen aus dem Monomer VISIOMER HEMA-TMDI übertragen werden konnte