Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Mesoporous phosphates are a group of nanostructured materials with promising applications, particularly in biomedicine and catalysis. However, their controlled synthesis via conventional template-based routes presents a number of challenges and limitations. Here, we show how to synthesize a mesoporous Magnesium phosphate with a high surface area and a well-defined pore structure through thermal decomposition of a crystalline struvite (MgNH4PO4·6H2O) precursor. In a first step, struvite crystals with various morphologies and sizes, ranging from a few micrometers to several millimeters, had been synthesized from supersaturated aqueous solutions (saturation index (SI) between 0.5 and 4) at ambient pressure and temperature conditions. Afterwards, the crystals were thermally treated at 70–250 °C leading to the release of structurally bound water (H2O) and ammonia (NH3). By combining thermogravimetric analyses (TGA), scanning and transmission electron microscopy (SEM, TEM), N2 sorption analyses and small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS/WAXS) we show that this decomposition process results in a pseudomorphic transformation of the original struvite into an amorphous Mg-phosphate. Of particular importance is the fact that the final material is characterized by a very uniform mesoporous structure with 2–5 nm wide pore channels, a large specific surface area of up to 300 m2 g−1 and a total pore volume of up to 0.28 cm3 g−1. Our struvite decomposition method is well controllable and reproducible and can be easily extended to the synthesis of other mesoporous phosphates. In addition, the so produced mesoporous material is a prime candidate for use in biomedical applications considering that Magnesium phosphate is a widely used, non-toxic substance that has already shown excellent biocompatibility and biodegradability.
Mechanochemistry paves the way to simple, fast, and green syntheses. Despite considerable effort, there remains a lack in understanding of the underlying mechanisms. In situ investigations help to understand these mechanisms, which occur during a mechanochemical reaction. Here we present a universal strategy for simultaneous real-time in situ analysis, combining X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and thermography. The potential of our approach is shown for different model reactions.
Fresh cement paste is a suspension consisting of a hydraulic binder (cement), water, and numerous minor components – admixtures. Addition of admixtures aims at specific modification of properties of the fresh cement paste or hardened cementitious building material. Specific admixtures, so-called superplasticizers (SP), are used to improve the flowability of the fresh cement paste with reduced water content. The latter is the starting material for the high-strength concrete. Thus, SPs are essential for the ambitious construction projects.
However, uncontrollable retardation of the setting time in presence of SPs is occasionally observed. Obviously, SPs influence early products of the cement hydration leading to changes in the microstructure development. The hardening is thus delayed, and the quality of the resulting building material suffers. The mechanisms of the admixture action during the hydration process are still intensively investigated [1-7]. A detailed understanding of the admixture effects during the early hydration stage is the key to control and individual adjustment of the cement-based construction materials.
We use the unique combination of the wall-free sample holder and the time-resolved X-ray scattering analysis to achieve the full information about the hydrate phases formed under the influence of admixtures. We use ultrasonic levitator to start the cement hydration in levitated cement pellets [8, 9]. The sample levitation allows collection of the unimpaired information about cement hydrate phases. The most beneficial is the avoiding of the contributions of the sample holder material to the data signal.
We induce the cement hydration by adding water to unhydrated Portland cement during the data acquisition. The full phase composition of the hydrating cementitious system can be gathered in situ using wide angle X-ray scattering (WAXS). During the hydration of cement both crystalline and amorphous hydrate phases are formed. WAXS data contain the information about crystalline phases behind the Bragg reflections, whereas the amorphous hydrates influence the appearance of the background. Application of the data analysis specific for crystalline or amorphous phases is needed. The data quantification by the Rietveld method allows to conclude about the changes of the phase amounts due to the presence of admixture. The calculation of the pair distribution functions allows analysis of the amorphous hydrates. Based on this information, the SP effects and the extent of their involvement into the ongoing reactions can be concluded. A detailed understanding of the complex cement hydration process is envisioned.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometrie
(2019)
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen.
In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometry
(2019)
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen.
In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
Coating materials are nowadays often required to deliver not only sufficient barrier performance and suited optical appearance but a broad range of other functional properties. The incorporation of inorganic nanoparticles (NPs) is known to improve many key characteristics and provide new functionalities in polymer materials. Presented work aims to prepare and characterize an organic-inorganic coating material designed to bring together advantageous properties of hybrid materials and reinforcement effect delivered from the inorganic NPs embedment.
Siloxane-based hybrid resins hold great advantages as coating materials as their properties can be tuned between those of polymers and those of glasses, thus, the compositions with superior thermal and mechanical properties can be achieved. We used Cycloaliphatic Epoxy Oligosiloxane (CEOS) resin as a polymeric matrix where the network formation was achieved by UV induced cationic polymerisation. Boehmite Alumina (BA) nanoparticles were added to CEOS resin as a reinforcing agent and resultant material was processed into films either by bar-coating or by spin-coating depending on further characterization procedure. Two different types of BA NPs, hydrophilic and organophilic, were used in order to assess the impact of particles surface on the resin characteristics. CEOS synthesis by condensation reaction was confirmed using 13C and 29Si NMR. Changes in CEOS photocuring process, resulting from particles incorporation, were monitored by real-time IR spectroscopy. At the same time, the thermal behaviour was evaluated by DSC and TGA methods. Morphology of the coatings was investigated by means of SEM operated in transmission mode.
It was observed that BA presence increased the epoxy conversion degree and glass transition temperature. Material formulations providing best film characteristics were determined with regard to the particle type and loading. Compared to the hydrophilic nanoparticles, organophilic BA NPs yield superior overall performance of the foils.
Thermosetting materials are gaining increasing attention in many structural composite applications. However, the incorporation of inorganic nanoparticles (NPs) into polymer matrix is a promising approach to enhance their functional characteristics, and thus, to enable the development of thermosets advanced application. It has been shown that Boehmite Alumina (BA) used as nanofillers can improve different parameters of polymers. This NPs can be easily tailored enabling desirable interactions with a big range of polymers. However, the overall effect of nanofiller depends on many factors, therefore, making it hard to predict the resulted performance of nanocomposites. In the current contribution we would like to discuss the impact of Boehmite NPs on two different epoxy resin nanocomposite systems with the focus on the possible influence mechanisms of this nanofiller.
As the first system, UV curable Cycloaliphatic-Epoxy Oligosiloxane (CEOS) resin/Boehmite nanocomposites were investigated by FTIR, TGA, DSC and T-SEM. It was observed that incorporation of BA leads to the reinforcement of glass transition (Tg) and overall thermal stability indicating the attractive interactions between BA and CEOS network. In addition, an increase in epoxy conversion of CEOS was concluded for nanocomposites assuming that particles are involved in UV polymerisation processes.
The second epoxy/Boehmite nanocomposite is based on the bisphenol-A-diglycidyl ether (DGEBA) cured with methyl tetrahydrophtalic acid anhydride (MTHPA). Thermomechanical as well as nanomechanical properties of this material were investigated by DMTA and IR spectroscopy and the advanced Intermodulation AFM, respectively. In contrast to the first system, it was found that BA leads to a decrease of Tg and crosslink density of the polymer while the young’s modulus of the composite and local stiffness of polymer matrix increase significantly.
As a result, the versatile role of Boehmite was detected depending on the investigated systems. Based on the obtained results, the parameters indicating property-efficient epoxy/Boehmite system are suggested.
Nachdem Jahrzehnte die Grenzfläche zwischen Kohlefaser und Duroplastmatrix optimiert wurde liegt das Augenmerk heute auf der Polymermatrix selbst. Diese lässt sich hinsichtlich ihres Elastizitätsmoduls und ihrer Bruchfestigkeit verbessern, indem Nanopartikel aus Böhmit (AlOOH) eindispergiert werden. Der Vortrag geht auf integrale und hochauflösend-bildgebende Methoden ein die ein Verständnis der komplexen Zusammenhänge ermöglichen. Nach einer chemischen in-situ Analyse des Aushärtvorgangs, aus welchem sich die Bedeutung der externer Parameter ablesen lässt, werden diverse hochauflösende, neue Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) eingeführt. Der lokalen Bestimmung des E-Moduls der Nanopartikel folgen Ausführungen zum temperaturabhängigen Chemismus des Böhmits, der während der Aushärtung Wasser freisetzt. Die hochauflösende Bestimmung der Oberflächenpotentiale, der Steifigkeit, der attraktiven Kräfte zwischen Spitze und Probe sowie der Energiedissipation im Kontakt stellen auf der Nanoskala eine komplexe Datenquelle dar, die auf der Makroskala einer Ergänzung bedarf: Durch Kombination von dynamisch-mechanisch-thermischer Analyse einerseits und Kartierung physikalischer Eigenschaften auf der Nanoskala andererseits kann der Zusammenhang zwischen chemischer Steuerung der Netzwerkbildung und den mechanischen Eigenschaften des Nanokomposits geklärt werden. Überraschend ist, dass bei geeigneter Steuerung der lokale E-Modul der Polymermatrix den des Füllstoffs übersteigt. Die Rissfortschrittsenergie wird in Böhmit-modifiziertem Epoxy verbessert absorbiert, die These dazu ist, dass die (010)-Gleitebenen, die nur durch Wasserstoffbrücken zusammen gehalten werden, einigermaßen schadlos geschert werden können. Daraus folgt, dass das System auf der Nanoskala über einen, wenn auch begrenzten, Selbstheilmechanismus verfügt. Zudem wird durch die hohe Heterogenität der Steifigkeit und Energiedissipation des Nanokomposits eine Risstrajektorie vielfach umgelenkt und somit früher gestoppt. Ergebnisse dieses Vortrags stammen aus einer Zusammenarbeit innerhalb des DFG-Forscherverbundes FOR2021 „Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau“.