Einfluss des Vernetzungsgrades auf Gestalt und Wechselwirkungen von Polystyrol-Mikrogelen
Schneider, Jochen - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (2016)
Ziel dieser Dissertation war die systematische Untersuchung des Einflusses des Vernetzungsgrades auf die physikalischen Eigenschaften von Polystyrol(PS)-Mikrogelen. Im Fokus standen die innere Struktur der Partikel, ihre Weichheit sowie strukturelle und dynamische Eigenschaften im Vergleich zu homogenen harten Kugeln (HK). Des Weiteren sollte der Einfluss des Vernetzungsgrades auf die polymerinduzierte Aggregation verdünnter Kolloiddispersionen untersucht werden.
Frühere Arbeiten dieser Gruppe konnten zeigen, dass sich 1:10- (je ein Vernetzungspunkt nach zehn Styroleinheiten) und 1:50-vernetzte PS-Mikrogele, im Gegensatz zu den häufig verwendeten Poly(N-isopropylacrylamid)(PNIPAM)-Mikrogelen, als effektive HK beschreiben lassen. Die Untersuchung einer Vernetzungsgradreihe (1:10-100) bei vier Radien (150 - 280 nm) im Rahmen dieser Arbeit konnte zeigen, dass Partikel mit einem Vernetzungsgrad bis 1:50, unabhängig von ihrer Größe, als homogene Kugeln betrachtet werden können. Ab einem Vernetzungsgrad von 1:75 wurde ein geringer, nach außen abnehmender, Vernetzungsgradient gefunden, der sich über die Synthe-sebedingungen steuern ließ. Dieser Gradient ist schwächer ausgeprägt als in den gängigen PNIPAM-Mikrogelen. Rheologische Untersuchungen zeigten zudem, dass alle Systeme sich durch eine größere Härte auszeichneten als PNIPAM. Die Nahordnung fluider Proben entsprach der eines HK-Systems. Das Diffusionsverhalten schwächer vernetzter Partikel wies hingegen Abweichungen vom HK-Verhalten auf, die auf eine leichte Durchspülung der Partikel hindeuten.
Aus früheren Experimenten ist bekannt, dass sich, trotz der HK-Analogie, bei Zugabe von freiem Polymer 1:10- und 1:50-vernetzte Systeme systematisch unterschieden. So muss beispielsweise zur Realisierung eines attraktiven Glases eines 1:50-vernetzten Systems mehr freies Polymer zugegeben werden, als für ein 1:10-vernetztes. Dieser Trend wurde auch in den durchgeführten Aggregationsexperimenten gefunden. Eine systematische Variation von Vernetzungsgrad, Kolloid- und Polymerradius lieferte Hinweise darauf, dass die Ursache für diesen Unterschied in der Wechselwirkung zwischen dem Polymernetzwerk der Mikrogele und dem freien Polymer liegt. Denkbar ist beispielsweise ein Eindringen des freien Polymers in das Mikrogelnetzwerk, abhängig von Kettenlänge und Vernetzungsgrad. Eine Untersuchung der Struktur aggregierter Proben konnte zudem zeigen, dass 1:50-vernetzte Mikrogele innerhalb der Aggregate dichter gepackt sind, als ein effektives HK-System. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass die schwächer vernetzten Mikrogele sich unter dem osmotischen Druck des Polymers entweder verformen oder ihre Außenbereiche überlappen.