Chemisch massgeschneiderte Grenzflächen in Nanokompositen

Anorganisch-organische Nanokomposite sind eine Klasse von Materialien, in denen durch Einbau von anorganischen Bausteinen, deren Größe im Nanometerbereich liegt, in eine Polymermatrix neue Materialeigenschaften entstehen. Zwei wichtige Parameter in der Synthese dieser Materialien sind die synergistische Kombination der Eigenschaften der Komponenten und deren homogene Verteilung im Material. Aufgrund der Größe der Nanobausteine und ihrer daraus resultierenden hohen Oberfläche, ist die chemische Kontrolle der Grenzfläche zur Polymermatrix ein entscheidender Faktor für die Eigenschaften der Nanokomposite. Eine chemische Modifizierung der Oberfläche der anorganischen Komponente hilft diese homogen im Polymer zu verteilen und ermöglicht eine stabile chemische Anbindung der Bausteine an die Polymermatrix, was zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der generellen Stabilität des Materials führt. In diesem Projekt wird die Oberfläche von Silica- und Zirkonoxid-Nanopartikeln chemisch verändert und der Einfluss dieser Oberflächenmodifikation auf die Verteilung der Komponenten in der Polymermatrix und die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Nanokomposite untersucht. Hierzu werden die Ankergruppen von organischen Kupplungsreagenzien, ihre chemische Zusammensetzung und die reaktiven Gruppen, die eine Anbindung an die Polymermatrix ermöglichen, systematisch variiert. Die so erhaltenen modifizierten Nanobausteine werden in unterschiedliche Polymere durch Copolymerisation eingebettet. Durch Variation der Größe der anorganischen Bausteine und der relativen Zusammensetzung der Nanokomposite, geht ein weiterer Parameter in die Untersuchungen mit ein. Die erhaltenen Materialien werden in einem interdisziplinären Ansatz von Physikern auf ihre innere Struktur und die Veränderung dieser unter mechanischer Beanspruchung sowie von Materialwissenschaftlern auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Diese werden mit den Veränderungen an der Grenzfläche sowie der Größe der Nanopartikel und der Zusammensetzung der Nanomkomposite korreliert, um neue Erkenntnisse zu Struktur-Eigenschaftskorrelationen von Grenzflächen in Nanokompositen zu erhalten.

Das chemische Design der Grenzfläche in Nanokompositen spielt eine entscheidende Rolle für die makroskopischen Eigenschaften dieser Materialien. Systematische Studien von verschiedenen Partikelarten mit unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen zeigen, dass Veränderung an der monomolekularen Lage an der Grenzfläche zwischen anorganischen Partikeln und der Polymermatrix zu Änderungen der mechanischen Eigenschaften der Feststoffe führen können. In diesem Forschungsprojekt wurde eine systematische Studie durchgeführt, welche den Einfluss der Oberflächenfunktionalisierung von Metalloxid-Nanopartikeln auf deren Dispersionsverhalten in Polymermatrices, die interne Materialstruktur und makroskopische mechanische Eigenschaften von Nanokompositen untersucht. Ein chemischer "bottom up" Ansatz, der von molekularen Vorstufen ausgehend zu Nanokompositen führt, wurde verwendet um die Eigenschaften der Materialien auf allen Längenskalen beeinflussen zu können. Dabei wurden zwei unterschiedliche Arten von Nanopartikeln untersucht: zum einen sphärische, amorphe SiO2 Nanopartikel zum anderen nanokristallines ZrO2. Beide Nanobausteine wurden in unterschiedlichen Größen hergestellt um Größeneffekte in den Eigenschaften der resultierenden Nanokomposite zu untersuchen. Zusätzlich wurden auch verschiedene Kupplungsreagenzien eingesetzt um die Oberfläche der Nanopartikel zu modifizieren und damit sowohl die Kompatibilität als auch die Wechselwirkung der Partikel mit der Polymermatrix zu kontrollieren. Grenzflächenaktive Verbindungen mit langen Alkylketten wurden getestet um ihr Selbstanordnungsverhalten auf der Oberfläche zu geordneten Aggregaten zu untersuchen. Im Rahmen des Projektes konnte gezeigt werden, dass die Bildung von so genannten Selbstangeordneten Monolagen (SAMs) auf der Partikeloberfläche stark von der nanoskopischen Krümmung der Partikel abhängt und die Agglomeration und damit auch das Dispersionsverhalten der Nanopulver in der Polymermatrix beeinflusst. Eine kontrollierte Störung der Ordnung an der Grenzfläche kann das Dispersionsverhalten in der Matrix wesentlich verbessern. Polydimethylsiloxan- modifizierte Oberflächen zeigten dagegen ein völlig anderes Dispersionsverhalten. Verschiedene Arten von Nanopartikeln wurden in eine Polymermatrix mittels in situ Polymerisationsmethoden eingebracht und so Polymethylmethacrylat-, Polystyrol-, und Epoxyharz Nanokomposite mit verschiedenen Anteilen von anorganischen Nanofüllern hergestellt und ihre strukturellen und mechanischen Eigenschaften getestet. Als Resultat aus den systematischen Studien kann abgeleitet werden, dass die chemische Anpassung der Grenzfläche entscheidend für die Herstellung von homogenen Nanokompositen mit hoher mechanischer Verstärkung ist.