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Structure and Stability of Ultrathin Polymer and Nanocomposite Films at the Air-Water Interface

Appel, Christian :
Structure and Stability of Ultrathin Polymer and Nanocomposite Films at the Air-Water Interface.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8210]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8210

Kurzbeschreibung (Abstract)

The main part of this work focuses on the structural investigations at the air-water interface using two different approaches. The first one is an indirect approach that aims for a structural characterization at the interface using thermodynamic quantities such as surface coverage, surface pressure and isothermal compressibility using the Langmuir-Blodgett technique. In the second approach the structural characterization is performed using local visualizing techniques like Brewster-Angle-Microscopy or X-ray surface scattering techniques. The systems studied for this purpose are all confined into a quasi-2D conformation including ultrathin polymer films, single nanoparticle films and polymer nanocomposites at the air-water interface.

The indirect approach mainly focuses on the investigation of quasi-2D polymer films at the air-water interface. From the in water insoluble polymer’s point of view, the air-water interface represents a solvent that can provide either good or θ solvent conditions. The interface can be characterized using 2D scaling laws from polymer physics. In one of the systems a remarkable effect is found. The solvent properties at the air-water interface can be tuned from θ to good conditions in amphiphilic block copolymers by increasing the volume fraction of the hydrophilic block. This result was quite astonishing since the volume fractions of the hydrophilic block were less than 5 %. The same system exhibits a unique phase transition that can be linked to the hydrophobic part in the block copolymers. X-ray surface scattering reveals that upon compression to a critical surface pressure, the hydrophobic part in the blocks is able to dewet from the air-water interface. Lateral structures of several micrometer are formed within the film which can be observed by optical and scattering techniques. However, the existence of the hydrophilic block is crucial for their observation because their lateral size seems to depend on the mobility of the chains at the interface.

The in-situ structural development of single nanoparticle films was observed for different particle sizes. It was possible to directly observe a structural transition that is also apparent in the indirect measurement of the thermodynamic quantities of the particle film. Finally, nanoparticles were successfully introduced in a polymer matrix at the air-water interface. Depending on the nanoparticle size, they seem to be evenly distributed or forced out of the polymer film upon increasing the area fraction of the particles.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Appel, Christian
Titel: Structure and Stability of Ultrathin Polymer and Nanocomposite Films at the Air-Water Interface
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

The main part of this work focuses on the structural investigations at the air-water interface using two different approaches. The first one is an indirect approach that aims for a structural characterization at the interface using thermodynamic quantities such as surface coverage, surface pressure and isothermal compressibility using the Langmuir-Blodgett technique. In the second approach the structural characterization is performed using local visualizing techniques like Brewster-Angle-Microscopy or X-ray surface scattering techniques. The systems studied for this purpose are all confined into a quasi-2D conformation including ultrathin polymer films, single nanoparticle films and polymer nanocomposites at the air-water interface.

The indirect approach mainly focuses on the investigation of quasi-2D polymer films at the air-water interface. From the in water insoluble polymer’s point of view, the air-water interface represents a solvent that can provide either good or θ solvent conditions. The interface can be characterized using 2D scaling laws from polymer physics. In one of the systems a remarkable effect is found. The solvent properties at the air-water interface can be tuned from θ to good conditions in amphiphilic block copolymers by increasing the volume fraction of the hydrophilic block. This result was quite astonishing since the volume fractions of the hydrophilic block were less than 5 %. The same system exhibits a unique phase transition that can be linked to the hydrophobic part in the block copolymers. X-ray surface scattering reveals that upon compression to a critical surface pressure, the hydrophobic part in the blocks is able to dewet from the air-water interface. Lateral structures of several micrometer are formed within the film which can be observed by optical and scattering techniques. However, the existence of the hydrophilic block is crucial for their observation because their lateral size seems to depend on the mobility of the chains at the interface.

The in-situ structural development of single nanoparticle films was observed for different particle sizes. It was possible to directly observe a structural transition that is also apparent in the indirect measurement of the thermodynamic quantities of the particle film. Finally, nanoparticles were successfully introduced in a polymer matrix at the air-water interface. Depending on the nanoparticle size, they seem to be evenly distributed or forced out of the polymer film upon increasing the area fraction of the particles.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik > Experimentelle Physik kondensierter Materie
Hinterlegungsdatum: 25 Nov 2018 20:55
Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8210
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82104
Referenten: Stühn, Prof. Dr. Bernd ; Feile, Prof. Dr. Rudolf
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 November 2018
Alternatives Abstract:
Alternativer AbstractSprache
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf strukturellen Untersuchungen der Wasser-Luft Grenzfläche. Dabei werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Bei dem ersten Ansatz handelt es sich um eine indirekte Charakterisierung der Struktur an der Grenzfläche anhand thermodynamischer Messgrößen. Mit Hilfe der Langmuir-Blodgett Technik werden Flächenabdeckung, Oberflächendruck und die isotherme Kompressibilität bestimmt. Im zweiten Ansatz wird die Struktur der Grenzfläche durch lokale optische Methoden, wie Brewster-Winkel-Mikroskopie, und durch Streuexperimente, wie Röntgenreflektometrie, aufgelöst. Ultradünne Polymerfilme, Filme einzelner Nanopartikel und Polymer-Nanokomposit-Filme werden an der Wasser-Luft Grenzfläche präpariert und damit in eine quasi-2D Konformation gezwungen. Bei der indirekten Charakterisierung liegt der Fokus auf den quasi-2D Polymerfilmen an der Wasser-Luft Grenzfläche. Für die in Wasser unlöslichen Polymere stellt die Wasser-Luft Grenzfläche ein Lösemittel dar, welches entweder gute oder θ Lösemitteleigenschaften aufweisen kann. Die Grenzfläche kann nun mit Hilfe von Skalengesetzen der Polymerphysik in zwei Dimensionen charakterisiert werden. Dabei zeigt sich in einem der Systeme ein sehr interessanter Effekt. Die Lösemitteleigenschaften der Grenzfläche können von θ zu guten Lösemitteleigenschaften durch das Blockverhältniss eines amphiphilen Blockcopolymers verändert werden. Des Weiteren ist es erstaunlich, dass dies für Volumenanteile von weniger als 5 % bereits deutlich nachweisbar war. Im selben System kommt es auch zu einem außergewöhnlich stark ausgeprägten Phasenübergang, welcher in Zusammenhang mit dem hydrophoben Block gebracht werden kann. Der hydrophobe Block entnetzt die Wasser-Luft Grenzfläche, sobald der Oberflächendruck einen kritischen Wert erreicht. Dieser Prozess hat zur Folge, dass sich laterale Strukturen mit einer Ausdehnung von einigen Mikrometern bilden. Brewster-Winkel-Mikroskopie und Röntgenreflektometrie konnten beide diese Strukturen nachweisen. Dennoch spielt der hydrophile Block eine entscheidene Rolle, da die Größe der Strukturen durch die Mobilität der Ketten bestimmt wird und ohne diesen nicht detektiert werden kann. Verschieden große Nanopartikel wurden erfolgreich in Monolagen präpariert und ihre strukturelle Entwicklung wurde in-situ mit Röntgenreflektometrie aufgelöst. Eine Änderung der Konformation im Nanopartikelfilm konnte unmittelbar beobachtet werden, die sich ebenfalls im Oberflächendruck und der Kompressibilität identifizieren lässt. Abschließend konnten die Nanopartikel und Polymere in einem Komposit-Film an der Wasser-Luft Grenzfläche präpariert werden. Je nach Größe der Partikel verteilten sich diese gleichmäßig in der polymer matrix oder wurden mit steigendem Flächenanteil aus dem Film gezwungen.Deutsch
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