Synthese und kolloidchemische Untersuchung von zweidimensionalen Mikrogelen
Creators: name: Seghaoui, Malika
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2019
Subjects: subject: Mikrogele
subject: Janus-Partikel
subject: Grenzflächenphänomene
subject: Emulsionen
subject: Rheologie
subject: 540
subject: Rheologie
subject: Gel
subject: Grenzflächenchemie
subject: Grenzflächenphysik

description: In dieser Arbeit werden zum ersten Mal die Synthese und die Eigenschaften „zweidimensionaler Mikrogele“ („2D-Mikrogele“ bzw. „Mikrogelpartikel“) beschrieben. Ein 2D-Mikrogel ist ein ultradünnes Polymernetzwerk mit kolloidaler Dimension an der Phasengrenzfläche, welches chemisch quervernetzt ist. Derartige neue amphiphile Systeme besitzen ein großes Potenzial bezüglich der Entwicklung von schaltbaren Membranen, neuen Tensiden und Emulgatoren, Nanocarries, „Janus-beads“, Mikrokapseln und anderen kolloiden „Controlled-release“-Systemen. Die 2D-Mikrogele wurden durch die Polymerisation von amphiphilen Monomeren an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser hergestellt. Als amphiphile Monomere wurden n-Octadecyltrichlorsilan oder andere ähnliche Silanverbindungen verwendet. Die auf diese Weise hergestellten Mikrogelpartikel können auch als „Janus-Partikel“ bezeichnet werden, da sie eine hydrophile und eine hydrophobe Oberfläche aufweisen. Aufgrund dieses asymmetrischen Aufbaus ist zu erwarten, dass diese Mikrogele zur Emulsionsstabilisierung dienen könnten. Bei der Untersuchung der Eigenschaften dieser speziellen Mikrogele lag daher ein besonderer Schwerpunkt auf der Anwendbarkeit dieser Partikel zur Stabilisierung von Emulsionen. Zunächst wurde mittels der Rheologie und der Tensiometrie die Schwellenkonzentration (bzw. kritische Grenzflächenkonzentration Γ0) der Silane bezüglich des zweidimensionalen Sol-Gel-Übergangs bestimmt. Die Schwellenkonzentration ist die Konzentration, unterhalb der sich kein geschlossener Film, sondern zweidimensionale Mikrogele ausbilden (Mikrogelbereich). Für die Herstellung der Mikrogele wurde eine Grenzflächenkonzentration von 1 Molekül/nm2 gewählt. Zur Charakterisierung dieser kolloidalen Systeme wurde eine breite Palette unterschiedlicher Messmethoden verwendet. Mittels Brewsterwinkel-Mikroskopie, Videomikroskopie und der Elektronenmikroskopie (REM, TEM) wurden die ultradünnen Mikrogele sowohl an der Wasser/Luft- als auch an der Wasser/Öl-Grenzphase visualisiert. Es konnte beobachtet werden, dass sich zweidimensionale, fraktale Aggregate bildeten. Die Herstellung derartiger Strukturen wird von der Perkolationstheorie und entsprechenden Computersimulationen für solche makromolekularen Systeme vorhergesagt. Die fraktalen Mikrogele bestehen aus selbstähnlichen kleinen Scheibchen. Die Untersuchung der Grenzflächenspannung von Flüssig/flüssig-Grenzflächen zeigte, dass bei Belegung der Grenzfläche mit 2D-Mikrogelen eine deutliche und signifikante Abnahme der Grenzflächenspannung zu beobachten ist. Mittels einer Mikrofluidik-Apparatur und eines Dispergiergerätes wurden die Emulsionen hergestellt und mikroskopisch und rheologisch untersucht. Die 2D-Mikrogele zeigten dabei einen emulsionsstabilisierenden Effekt. Bemerkenswert war, dass die Emulsionen dominierende elastische Eigenschaften zeigten.
description: For the first time, the synthesis and properties of „two-dimensional microgels” („2D-microgels” or „microgel particles”) are described. A 2D-microgel is a chemically cross-linked, ultrathin polymer network at an interface with a colloidal dimension. Such new amphiphilic systems have great potential for the development of switchable membranes, new surfactants and emulsifiers, nanocarries, Janus beads, microcapsules and other colloidal „controlled-release” systems. The 2D-microgels were produced by the polymerization of amphiphilic monomers at the interface between oil and water. As amphiphilic monomers n-octadecyltrichlorosilane or similiar silane compounds were used. Due to their ambivalent surface, the microparticles produced this way can be called "janus particles" because one side is hydrophilic while the other one is hydrophobic. Therefore, it is to be expected that these microgel particles could be used for emulsion stabilization. As a result, the investigation of the properties of these special microgels was focused on the applicability of these particles for the stabilization of emulsions in particular. First, rheology and tensiometry were used to determine the threshold concentration (or critical interfacial concentration Γ0) of the silanes in terms of the two-dimensional sol-gel transition. The threshold concentration is the minimal concentration at which closed films are formed. Below this concentration microgels can be obtained (microgel range). Thus, an interfacial concentration of 1 molecule/nm² could be used for the preparation of the microgels. A wide range of different methods was used to characterize these colloidal systems. Using Brewster angle microscopy, optical microscopy and electron microscopy (SEM, TEM), the ultra-thin microgels were visualized at the water/air as well as at the water/oil interface. It could be observed that two-dimensional fractal aggregates were formed. The production of those structures can be predicted by percolation theory and corresponding computer simulations of the macromolecular systems. The fractal microgels consist of self-similar small disks. The investigation of the interfacial tension of liquid/liquid interfaces showed a significant decrease of the interfacial tension when 2D-microgels are applied to the interface. Using a microfluidic apparatus and a dispersing device, emulsions were prepared and examined microscopically and rheologically. The 2D-microgels showed an emulsion stabilizing effect. It was remarkable that the emulsions showed dominant elastic properties.