6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere
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Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Ionic Liquid Crystals (ILCs) are emerging class of materials that combine the properties of liquid crystals with the ionic conduction similar to ionic liquids. It’s known that liquid crystals exhibit intriguing properties when confined and are of importance from both fundamental and technological perspective. Here, we study the molecular dynamics and electrical conductivity of a homologous series of Dopamine (DOPA) based ILCs, ILCn (n = 12,14,16) confined in self ordered nanoporous alumina oxide membrane of 180 nm pore size using Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). We aim to understand how the alkyl chain length and confinement influence the dynamics in this system.
In the bulk, for all ILCs, we observe two relaxation modes in the crystalline phase, the and α1 relaxation respectively, and one relaxation mode in the columnar phase, the α2 relaxation, but for ILC16, where two relaxation modes (α2 and α3) are detected in the columnar phase.
For the confined case, all relaxation processes slowdown compared to the bulk. For ILC16, the α1 relaxation is completely suppressed. For all ILCs, the absolute values of DC conductivity are reduced by some three orders of magnitude. We discuss in detail the possible molecular origin of the relaxation processes and the charge transport in this system.
Ionic Liquid Crystals (ILCs) are materials that combine the properties of liquid crystals together with ionic conduction. It is known that liquid crystal mesophases in confinement exhibit anomalous dynamics and phase behavior. However, similar studies about factors that control the macroscopic properties of ILCs in confinement are limited. Here, Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS), X-ray scattering, and calorimetry were applied to study the molecular dynamics, and phase behavior of a guanidinium based columnar ionic liquid crystal confined in self-ordered alumina oxide nanopores of pore sizes ranging from 180 nm down to 25 nm. It is aimed to understand how pore size and pore surface wettability (hydrophilic or hydrophobic) influence the molecular dynamics, and phase behavior for this system which are crucial for applications. The DSC measurements show: (i) the crystalline-liquid crystalline transition temperature has non-monotonic dependence on inverse pore diameter and (ii) the liquid crystalline-isotropic transition is completely suppressed for all the confined samples. This thermally suppressed transition was detected by BDS and X-ray scattering and is considered as a continuous phase transition instead of a discontinuous first order transition. BDS investigations reveal several relaxation processes for the bulk and confined scenarios. The relaxation modes are suppressed and become slower for the confined scenarios compared to the bulk. Possible molecular origins for these relaxation processes are discussed, and it is shown that the self-assembly of these ILCs is dynamic in nature.
Biopolymers are the building blocks of life. Their properties are exploited for material functionalization on the nanoscale in a flexible manner. An overview over current research activities in the field of sensing, nanostrcuturing, radiation damage measurements on DNA and proteins and microfluidics is given.
Nowadays, sensors based on polymers/nanostructured metal oxide composites have been investigated exten-sively because of their sensitivity to NO2 gas at ambient temperature. In this work, nanocomposite membranes of xanthan gum (XG) with different contents of MnO2 nanoparticles were prepared as a potential NO2 gas sensor operating at room temperature by a simple one-step oxidation-reduction reaction. The structural, morphological, thermal, and electrical properties of the composite membrane were investigated. The FT-IR results confirm the successful preparation of MnO2 through the oxidation of XG by KMnO4 and reveal further the structural changes of the XG/MnO2 nanocomposite upon its exposure to NO2 gas. The capping of the synthesized MnO2 nano-particles by XG, the surface composition of the XG/MnO2 nanocomposite membranes, and the effect of NO2 gas on the surface composition was investigated using the XPS technique. The DC conductivity and dielectric loss of nanocomposites were higher than for neat XG. The conductivities of the nanocomposites XG/MO-4, XG/MO-4/ low NO2, and XG/MO-4/high NO2 composites are half, one, and three orders of magnitude higher than that for pure XG revealing a transition from insulating to conductive properties. The results demonstrated that XG/MnO2 nanocomposite membranes are promising for potential applications in NO2 gas sensing.
Microplastic (MP) contamination in natural water circulation is a concern for environmental issues and human health. Various types of polymer materials have been identified and were detected in MP analytic test procedures. Beyond MP polymer type, particle size and form play a major role in water analysis due to possible negative toxicologic effects on flora and fauna. However, the correct quantitative measurement of MP size distribution over several orders of magnitude is strongly influenced by sample preparation, filtration materials and processes, and microanalytical techniques, as well as data acquisition and analysis. In this paper, a reference methodology is presented aiming at an improved quantitative analysis of MP particles. An MP analysis workflow is demonstrated including all steps from reference materials to sample preparation, filtration handling, and MP particle size distribution analysis. Background-corrected particle size distributions (1–1000 µm) have been determined for defined polyethylene (PE) and polyethylene terephthalate (PET) reference samples. Microscopically measured particle numbers and errors have been cross-checked with the total initial mass. In particular, defined reference MP samples (PE, PET) are initially characterized and applied to filtration experiments. Optical microscopy imaging on full-area Si filters with subsequent image analysis algorithms is used for statistical particle size distribution analysis. To quantify the effects of handling and filtration, several blind tests with distilled water are carried out to determine the particle background for data evaluation. Particle size distributions of PE and PET reference samples are qualitatively and quantitatively reproduced with respect to symmetry, and maximum and cut-off diameter of the distribution. It is shown that especially MP particles with a radius of >50 µm can be detected and retrieved with high reliability. For particle sizes <50 µm, a significant interference with background contamination is observed. Data from blank samples allows a correction of background contaminations. Furthermore, for enhanced sampling statistics, the recovery of the initial amount of MP will be qualitatively shown. The results are intended as an initial benchmark for MP analytics quality. This quality is based on statistical MP particle distributions and covers the complete analytic workflow starting from sample preparation to filtration and detection. Microscopic particle analysis provides an important supplement for the evaluation of established spectroscopic methods such as Fourier-transform infrared spectroscopy or Raman spectroscopy.
Hexakis(n-alkyloxy)triphenylene) (HATn) consisting of an aromatic triphenylene core and alkyl side chains are model discotic liquid crystal (DLC) systems forming a columnar mesophase. In the mesophase, the molecules of HATn self-assemble in columns, which has one-dimensional high charge carrier mobility along the columns. Here, a homologous series of HATn with different length of the alkyl chain (n=5,6,8,10,12) is investigated using differential scanning calorimetry (DSC), broadband dielectric spectroscopy (BDS) and advanced calorimetric techniques including fast scanning calorimetry (FSC) and specific heat spectroscopy (SHS). The investigation of the phase behavior was done utilizing DSC experiments and the influence of the alkyl chain length on the phase behavior was revealed. By the dielectric investigations a γ-relaxation due to localized fluctuations as well as two glassy dynamics the αcore and αalkyl relaxation were observed in the temperature range of the plastic crystalline phase. Moreover, the observed glassy dynamics were further studied employing advanced calorimetry. All observed relaxation processes are attributed to the possible specific molecular fluctuations and discussed in detail. From the results a transition at around n=8 from a rigid constrained (n=5,6) to a softer system (n=10,12) on a molecular lenght scale was revealed with increasing alkyl chain length. A counterbalance of two competing effects of a polyethylene like behavior of the alkyl chains in the intercolumnar domains and self-organized confinement is discussed in the context of a hindered glass transition. The results were confirmed by in- and quasielastic neutron scattering