Stabilisierung von Kolloiden durch Polymere

Transkript

1 Stabilisierung von Kolloiden durch Polymere Saarbrücken, den Nanostrukturphysik 2 Marc-Dominik Kraß

2 Stabilisierung von Kolloiden Sterische Stabilisation Enthalpische Stabilisation Elektrostatische Stabilisation 2

3 Stabilisierung von Kolloiden Zwischen Kolloidpartikeln herrschen attraktive Wechselwirkungen -> Van der Waals-WW, magnetische WW Agglomeration muss verhindert werden [1] Eggersdorfer Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 3

4 Sterische Stabilisation Beruht auf entropischen Effekten Kolloidpartikel wird mit Polymeren beschichtet Annähern der Partikel führt zu Verringerung der Entropie -> Abstoßende Wirkung [2] Shi Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 4

5 Zustandssumme einer idealen Kette Polymerkette aus n starren Elementen der Länge l Contour-Length L End-to-End-Vector [3] Hartmann Θ: Winkel zwischen ri und der x-achse Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 5

6 Zustandssumme einer idealen Kette Ideale Kette: Keine Korrelation zwischen den Kettengliedern Mittlere Endposition der Kette: [3] Hartmann Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 6

7 Zustandssumme einer idealen Kette Mittlere Endposition der Kette: Mittelwertbildung [3] Hartmann liefert und Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 7

8 Zustandssumme einer idealen Kette Weitere benötigte Größe: Gyroskopischer Radius Mittlere Abstand der Monomere zum Massenschwerpunkt Berechnung erfolgt analog: [3] Hartmann Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 8

9 Zustandssumme einer idealen Kette Zustandssumme berechnen für Anfangskoordinate und Endkoordinate Ein Ende des Polymer an der Oberfläche befestigt ( grafting ) [3] Hartmann Stabilisierend! Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 9

10 Sterische Abstoßung Gibbs-Helmholtz-Gleichung: Entropieerniedrigung durch Annähern der Partikel führt zu einer Energieerhöhung -> Abstoßende Kräfte Potentialverlauf hängt stark von der Struktur des Polymers ab und kann von Harte Kugeln-Potential bis zu sehr weich gehen. Außerdem spielen Lösungsmittel und Belegungsdichte eine wichtige Rolle. [4] Stilke Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 10

11 Enthalpische Abstoßung Gibbs-Helmholtz-Gleichung: Beispiel: Polyethylenglykol in wässriger Lösung Polymer weitgehend hydratisiert -> Wassermoleküle gebunden durch H-Brücken und verlieren Freiheitsgrade Bei Durchdringung der Polymer-Schicht werden Wassermoleküle verdrängt -> pro Freiheitsgrad muss 0,5 kt aufgebracht werden [5] Wikipedia Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 11

12 Elektrostatische Abstoßung Van der Waals Wechselwirkung Elektrostatische Wechselwirkung Elektrostatische Stabilisierung hat zwei Minima [6] Frant Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 12

13 Elektrostatische Abstoßung Ausbildung einer Stern-Schicht um die Partikel Ab einem Zeta-Potential von 30mV stabil Stabilität im Allgemeinen abhängig von der Ionenkonzentration im Lösungsmittel Kombination mit sterischer Abstoßung durch elektrisch geladene Polymere Besonders effektiv in wässriger Lösung [7] particles.org.uk Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 13

14 Zusammenfassung Kolloide müssen stabilisiert werden, um Agglomeration zu verhindern Je nach Lösungsmittel und Kolloidmaterial muss passender Mechanismus gewählt werden (polare/unpolare Lösungen) Zur Verfügung steht Sterisch (entropisch) Enthalpisch Elektrostatisch Sterisch+Elektrostatisch Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

16 Quellenverzeichnis [1] M.L. Eggersdorfer, The Structure of Agglomerates Consisting of Polydisperse Nanoparticles, AIChE 2012 Annual Meeting [2] J. Shi, Steric Stabilization, Literature Review 2002, The Ohio State University [3] U. Hartmann, Nanostrukturforschung und Nanotechnologie, Band 2, bisher unveröffentlicht [4] C.Stilke, Kinetischer Arrest in Kolloidsuspensionen, ausgelöst durch Packungseffekte oder attraktive Wechselwirkungen, Dissertation 2011, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg [5] [6] M. Frant, Funktionalisierung von Biowerkstoffen durch biomimetische Strukturen auf der Basis von Tetraetherlipiden ein Antifoulingkonzept, Dissertation 2008, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg [7] Nanostrukturphysik 2 - Marc-Dominik Kraß 16