Spahn, Peter (2008)
Kolloidale Kristalle aus monodispersen Silika-Polymer Hybridpartikeln.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Diese Arbeit ist dem Themenkreis der physikalischen Effektfarben und dem der noch jungen photonischen Kristalle zuzuordnen. Monodisperse, submikrometergroße Kern-Schale Kugelpartikel, aufgebaut aus einem Silika-kern und einer Polymerschale, wurden synthetisiert und dann aus der Dispersion oder in der Schmelze zu kolloidal-kristallinen Schichten und Filmen verarbeitet, in denen die Kerne in der Art von Opaledelsteinen ein kubisch-flächenzentriertes Gitter aufbauten. Licht wird an solchen Kunstopalen farbselektiv und winkelabhängig reflektiert. Der optischen Kontrast zwischen den Kernen und der umgebenden Matrix bestimmt die Farbbrillanz. Der größere Teil der Arbeit ist Opalfilmen gewidmet, die mit der kürzlich am Deutschen Kunststoff-Institut entwickelten Methode der Schmelze¬scherung erzeugt wurden. Dieses Ver-fahren erlaubt die schnelle, serientaugliche Produktion von großflächigen Opalfilmen aus speziellen Partikeln mit einem harten, vernetzten Kern und einer aufschmelzbaren, fließfähigen Schale, wobei Kern und Schale fest aufeinander gepfropft sein müssen. Die Synthese dementsprechend wohldefinierter Silika-Polymer Partikel wurde genau ausgearbeitet: Monodisperse Silika¬partikel wurden in einem mehrstufigen Stöber-Prozess erzeugt und dann mit Organosilanen hydrophobisiert. Anschließend wurden sie in der Emulsionspoly¬merisation mit einer oder zwei Schalen aus Polyacrylaten oder- methacrylaten beschichtet. In Übereinstimmung mit der Literatur wurde meist das Methacryloxypropyltri-methoxysilan verwendet, weil dieses mit seiner Acrylat¬funktion an der Polymerisation teilnehmen kann. Eine Kontroll¬studie bewies aber, dass sich die Kern-Schale Architekturen ebenso mit anderen Silanen ohne Acrylatfunktionen, aber mit passender Hydrophobie, aufbauen ließen. Die Opalfilme aus den Silika-Polymer Partikeln waren überraschend farbstark, obwohl der optische Kontrast zwischen den Silikakernen und der Matrix aus dem Schalepolymeren nur gering ist. Die Optik der Opalfilme wurde mit der UV/vis-Spektroskopie ausführlich untersucht. Ein attraktives Farbspiel war vor allem bei elastomeren Opalfilmen zu beobachten, die bei Verformung ihre Farbe änderten. Harte Opalfilme wurden auch invertiert. Die Silikakerne wurden mit Fluss¬säure ausgeätzt, wodurch Poren an die Stelle der Kerne traten. Die Poren erhöhten den optischen Kontrast, weshalb die Farbbrillanz enorm zunahm. Das Porengitter konnte geschlossen- oder offenzellig gestaltet werden. In den offen¬zelligen Filmen waren die Poren miteinander verbunden. Die Wellenlänge und die Intensität der Farbe dieser Filme konnte durch das Infiltrieren mit Flüssigkeiten ge¬schaltet werden. In einem kleineren Teil der Arbeit wurden anorganische Invers¬opale mit einer besonderen Struktur hergestellt. Aus Silika-Polymer Partikeln wurde mit der Technik des vertikalen Trocknens Opalschichten erzeugt, deren Hohlräume mit Titandioxid gefüllt wurden. Nach dem Entfernen des Polymeren resultierten ein fcc-Porengitter, in denen jede Pore einen beweglichen Silika¬kern enthielt. Diese regellos in den Poren liegenden Silikakerne brachten die Farbe des Opalgitters fast völlig zum Verschwinden. Wurden die Poren dieser Doppelopale aber mit Flüssigkeiten infiltriert, erstrahlten die für anorganische Inversopale typischen brillanten Farben. Simulationen des optischen Dis¬persions¬diagramms wiesen darauf hin, dass die Doppelopale als schaltbare photonische Kristalle mit einer vollständigen Bandlücke gestaltet werden könnten. Als Ausblick werden am Ende der Arbeit noch erste Untersuchungen zu phononischen Bandlücken in Opalfilmen aus Silika-Polymer Partikeln angesprochen.

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