Geismann, Christian:

Schaltbare Kapillarporenmembranen durch Oberflächenfunktionialisierung mit stimuli-responsiven Polymersystemen

Duisburg, Essen (2007), IV, 117 Bl.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie
Hasselbrink, Eckart (Doktorvater, Betreuerin)
Ulbricht, Mathias (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
In der vorliegenden Arbeit sollten PET-Kapillarporenmembranen mit
stimuli-responsiven Polymersystemen funktionalisiert werden, um Beiträge zur Evaluierung dünner gepfropfter Schichten leisten zu können. Des Weiteren sollte die Realisierbarkeit eines Modellsystems für Nanoventile untersucht werden. Beide verwendeten Ausgangsmembranen mit nominellen Porengrößen von 400 und 1000 nm zeigten mit Hilfe zweier unabhängiger Messmethoden einen ca. 60% größeren effektiven Porendurchmesser. Trotzdem waren die Membranen aufgrund ihrer annähernd isozylindrischen Struktur sehr gut für den gewählten Zweck geeignet und die Voraussetzungen für die Anwendbarkeit der nachfolgenden Berechnungen mit der Hagen-Poiseuille-Gleichung gegeben. Durch die systematische Kombination der drei verschieden geladenen Membranoberflächen mit drei unterschiedlich geladenen Photoinitiatoren bei der Funktionalisierung von PET 400-Membranen mit Polyacrylsäure konnte ein signifikanter Einfluss der ionischen Interaktionen zwischen Oberfläche und Photoinitiator nachgewiesen werden und die Effektivität der Photoinitiierung eindeutig erhöht werden. Der Transfer der Reaktionsbedingungen auf die Oberflächenfunktionalisierung mit Poly-N-isopropylacrylamid und im Anschluss daran auf Membranen mit einem größeren Porendurchmesser (PET 1000) zeigte, dass diese Effektivitätssteigerung sowohl von der Art des Monomers als auch von der Porengröße unabhängig war. In allen Fällen konnten die Poren durch einen externen Stimulus (pH- bzw. Temperaturänderung) eindeutig geöffnet und geschlossen werden. Es konnte weiterhin herausgearbeitet werden, dass die effektiven hydrodynamischen Schichtdicken der gepfropften Schicht im Nanometerbereich einfach und mit relativ hoher Präzision durch Permeabilitätsmessungen bestimmt werden können. Dabei
auftretende Effekte der Mikro- und Nanoskala, namentlich elektroviskoser Effekt, Ionenstärkeeffekt und Schereffekt, müssen berücksichtigt werden und können u.U. quantitativ ermittelt oder durch die Anwendung von Modellrechnungen vorhergesagt werden. Die Verwendung von Xanthon zur Initiierung einer „lebenden“ radikalischen Pfropfcopolymerisierung einer Membran, die auf zwei unterschiedliche Stimuli reagiert, zeigte eine deutliche Steigerung der Leistungsfähigkeit der Membran im Bezug auf das Modell des Nanoventils. Die effektive Schaltbarkeit der Membran durch beide Stimuli – unabhängig voneinander und gemeinsam – konnte signifikant erhöht werden. Perspektivisch ist eine Übertragung der in dieser Arbeit entwickelten Systeme auf andere Polymersubstrate und andere (Kanal-)Geometrien denkbar. Auch die Verwendung anderer Stimuli und Lösungsmittel stellen künftige Erweiterungsmöglichkeiten dar. Zusätzlich wird bereits in einem Nachfolgeprojekt die Verbesserung der Kontrollierbarkeit der „Grafting-from“-Reaktionen durch ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization) untersucht. Diese Methode bietet den Vorteil einer engen Molekulargewichtsverteilung der gepfropften Polymerketten, wodurch die Beeinflussung der effektiven Schichtdicken durch Scherkräfte minimiert werden sollen, sowie einer definierteren Synthese von Blockcopolymeren, die auf zwei unterschiedliche Stimuli reagieren.

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