6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere
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Formation of interphases between inorganic nanofillers and thermoplastic matrices are usually correlated to short-range interactions which does not exceed more than tens of nanometers away from the surface of the filler. Nevertheless, in nanocomposites with thermosetting matrices, the effect of nanofillers on the properties of the matrix is not limited to the immediate vicinities, but a long-range property alteration of the bulk polymer may be observed. The interaction between nanofillers and the polymer can disturb the curing reaction and alters the chemical, physical and mechanical properties of the polymer network in the matrix phase. In our studies, we aim to investigate short and long-range interphases of a nanocomposite system consisting of a thermosetting matrix (DGEBA) filled with an inorganic nanoparticle (boehmite). For this purpose, a combination of atomic force microscopy (AFM)-based approaches is implemented. Scanning kelvin probe microscopy (SKPM) was used to map the compositional contrast and the interphase with different electrical properties than the bulk. The mechanical properties of the interphase were probed by high resolution intermodulation AFM. (ImAFM). Furthermore, infrared spectroscopy AFM (AFM-IR) is used to investigate the chemical structure of the matrix at different distances from the nanoparticle. SKPM and (AFM-IR) measurements both show a long-range (to 10 µm) effect of boehmite on the chemical structure and surface potential of the bulk epoxy, respectively, whereas ImAFM force measurements reveals a short-range mechanical interphase between the filler and the matrix. The AFM-IR demonstrated the existence of unreacted anhydride hardener at the interphase. This indicates the preferential absorption of anhydride on the surface of boehmite. The consequence of such a selective interaction between the inorganic filler and the epoxy components is disturbance of the epoxy-hardener stoichiometric ratio, the curing mechanism. and the alteration of bulk properties of the matrix.
It was found for inorganic/polymer nanocomposites that a so-called Rigid Amorphous Phase (RAF) is formed in the interfacial region by adsorption of polymer segments onto the nanoparticles. The segmental dynamics of RAF is expected to be altered, as compared to the pure matrix, which might percolate into the entire system, affecting the overall nanocomposite properties. Here, the structure and molecular mobility of epoxy-based PNCs with different nanofillers (layered double hydroxide and boehmite) was studied by a combination of calorimetric and X-Ray scattering techniques. Temperature modulated DSC (TMDSC) showed that depending on the nanofiller, RAF can reach up to 40 wt % of the system or, on the contrary, the overall mobility of the matrix might increase due to the presence of particles. Such contrasting results, including the high amount of RAF, which was never shown before for epoxy-based PNCs, emphasize the importance of interfaces. Additionally, glass transition and glassy dynamics were investigated by a novel technique, Flash DSC (heating rates up to 10 kK/s) employed for the first time to a thermosetting system and electrospun fibers, which did not result in their degradation. It was used to study both the vitrification kinetics and glassy dynamics of the PNCs, for instance further confirming the presence of RAF and its impact on the overall material properties.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) have recently emerged as novel materials for a broad range of high-performance applications from gas separation to electronic devices. The very rigid, contorted polymer chains show only limited molecular mobility and therefore pack inefficiently giving rise to intrinsic microporosity with pore sizes generally smaller than 1 nm resulting in BET surface areas larger than 700 m2/g. Using conventional thermal analysis techniques, no glass transition temperature (Tg) of PIMs could be unambiguously detected up to now. Employing fast scanning calorimetry (FSC) based on a one chip sensor, decoupling the time scales responsible for the glass transition and the thermal decomposition is a reliable strategy to overcome this limitation. The FSC device is capable to heat and cool a small sample (ng-range) with ultrafast rates of several ten thousand K/s. Evidence of a glass transition is obtained for a series of PIMs with different chain rigidities. Local small-scale fluctuations are held responsible for the glass transition of highly rigid PIMs rather than segmental motions as in conventional polymers.