Titelaufnahme

Titel
Synthetic methods to control the structure of titania - polymer hybrid materials and nanocomposites / Sorin Ivanovici
VerfasserIvanovici, Sorin
Begutachter / BegutachterinKickebick, Guido ; Peterlik, Herwig
Erschienen2008
UmfangXIV, 250 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Titandioxid / Sol-Gel / Organische Polymeren / Nanokomposite / Hybridmaterialien
Schlagwörter (EN)titania / sol-gel / organic polymers / nanocomposites / hybrid materials
Schlagwörter (GND)Titandioxid / Polymere / Hybridwerkstoff / Nanokomposit / Sol-Gel-Verfahren
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-24998 Persistent Identifier (URN)
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Synthetic methods to control the structure of titania - polymer hybrid materials and nanocomposites [18.55 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

The synergetic combination of inorganic and organic components at the molecular level is a challenging task in materials science and chemistry, offering a wide variety of possible applications. An important sub-class of inorganic-organic hybrid materials is represented by polymers reinforced with nanosized metal oxides with polymerizable surface ligands.

In the first part of the work hybrid materials were designed through the covalent connection of metal alkoxides to a polymer backbone and subsequent hydrolysis and condensation. In a first step compounds were prepared containing both a polymerizable bond and the precursor for the sol-gel process. The alkoxides could form the respective oxide materials through the sol-gel process, while the organic double bonds were used for the formation of a polymeric matrix by controlled radical polymerization techniques. Analyses of the hybrid materials revealed that they were composed of well-ordered metal oxide nanoparticles incorporated inside the polymer matrices. When methacrylate-type polymers were used as the organic matrix, the final materials showed enhanced mechanical and thermal properties. On the other hand, elastomers in form of polysiloxanes were also used as polymer matrices.

Their functionalization with similar metal alkoxide building blocks could be achieved through hydrosilation reactions. Either bulk materials of polysiloxane matrices with ordered metal oxide domains inside, or hybrid core-shell nanoparticle morphologies were obtained depending on the interactions of the backbone polymers with the solvents employed. The second part of the work was devoted to the synthesis of TiO2 anatase nanoparticles and their applications in photocatalysis. In this project we investigated the synthesis of photocatalytically active anatase nanoparticles with anisotropically surface-functionalization that protected one side of the particle, and their incorporation in polymeric matrices. The sol-gel process allowed the controlled design of particle size and morphology. After the optimization of the process monodispersed particles with diameters between 5 and 40 nm were obtained. These particles were anisotropically surface-functionalized with various ligands such as phosphonates and phosphates containing polymerizable groups using oil-in-water Pickering emulsions. Such 'Janus'-type particles showed a good activity in photocatalysis and can bond to organic surfaces through their organophosphorus coupling agents.

In the Pickering emulsion also hybrid architectures could be designed through polymerization inside of such emulsion droplets. The resulting materials were hybrid polymeric spheres of about 2 m whose surface was fully covered by the photocatalytically active TiO2 nanoparticles. In another approach the pristine titania nanoparticles were fully surface modified in solution, using the same type of organophosphorus coupling agents, and further on incorporated in polymeric matrices. The hybrid materials were optical transparent, and showed an increased thermal and mechanical stability.

Zusammenfassung (Englisch)

Die synergetische Kombination von anorganischen und organischen Komponenten auf molekularer Ebene ist eine große Herausforderung der Materialwissenschaft und der Chemie und bietet viele Anwendungsmöglichkeiten bietet. Ein wichtiges Teilgebiet der anorganisch-organischen Hybridmaterialien sind in Polymere eingebettete Metalloxide im Nanometerbereich, welche polymerisierbare Oberflächenliganden tragen. Im ersten Teil der Arbeit wurden Hybridmaterialien durch kovalente Anbindung von Metallalkoxiden an eine Polymerkette und anschließende Hydrolyse und Kondensation hergestellt. In einem ersten Schritt wurden Komponenten hergestellt, welche sowohl eine polymerisierbare Bindung, als auch eine Vorstufe für Sol-Gel Prozesse besitzen. Die Alkoxide bildeten durch den Sol-Gel Prozess die entsprechenden Oxid-Materialien, während die organischen Doppelbindungen für den Aufbau einer polymeren Matrix durch kontrollierte radikalische Polymerisation genutzt wurden.

Die Charakterisierung dieser Hybridmaterialien zeigte, dass Metalloxid Nanopartikel mit hoher Ordnung in einer Polymermatrix eingebettet werden konnten. Bei der Verwendung von Methacrylat-Polymeren wurde eine signifikante Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der Endprodukte festgestellt. Weiters wurden Elastomere in Form von Polysiloxanen als polymere Matritzen verwendet, deren Funktionalisierung mit Metallalkoxiden durch Hydrosilylierung erfolgte. Sowohl monolithische Materialien aus Polysiloxan-Matritzen mit geordneten Metalloxid-Domänen, als auch Hybrid Kern-Schale Nanopartikel konnten erhalten werden, abhängig von den Wechselwirkungen der Polymerkette mit den verwendeten Lösungsmitteln.

Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Synthese von TiO2 Anatas Nanopartikeln und ihre Anwendungen in der Photokatalyse. In diesem Projekt wurde die Synthese von photokatalytisch aktiven Anantas Nanopartikeln mit anisotroper Oberflächenmodifikation, zum Schutz einer Partikel hälfte, und ihre Einbettung in polymere Matritzen untersucht.

Der Sol-Gel Prozess erlaubte die kontrollierte Darstellung von Partikelgröße und Morphologie. Nach der Optimierung des Prozesses wurden monodisperse Partikel mit Durchmessern zwischen 5 und 40 nm erhalten.

Diese Partikel wurden mit verschiedenen Liganden, wie Phosphonaten und Phosphaten die polymerisierbaren Gruppen tragen, durch die Verwendung von Öl-in-Wasser Pickering Emulsionen anisotrop oberflächenfunktionalisiert. Diese ,Janus'-Partikel zeigten eine hohe Aktivität in der Photokatalyse und konnten über ihre Organophosphor-Gruppen an organische Oberflächen gebunden werden.

Außerdem konnten durch Polymerisation im Inneren der Emulsionströpfchen auch Hybridarchitekturen hergestellt werden. Die resultierenden sphärischen Hybridpolymere besaßen einen Durchmesser von ungefähr 2 mym.

Ihre Oberfläche war komplett mit photokatalytisch aktiven TiO2 Nanopartikeln besetzt. In einem anderen Ansatz wurden die reinen Titandioxid Nanopartikel unter Verwendung derselben Organophosphorgruppen in Lösung oberflächenfunktionalisiert und anschließend in polymere Matritzen eingebracht. Die Hybridmaterialien waren optisch transparent und zeigten eine erhöhte thermische und mechanische Stabilität.