Strukturen und osmotischer Druck geordneter Latex-Suspensionen - Eine Untersuchung mit Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung

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1 Strukturen und osmotischer Druck geordneter Latex-Suspensionen - Eine Untersuchung mit Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung Von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Chemiker Norbert Lutterbach aus Aachen Referent: Korreferent: Universitätsprofessor Dr. H. Versmold Universitätsprofessor Dr. M. Zeidler Tag der mündlichen Prüfung: 9. April 1999 D82 (Diss. RWTH Aachen)

2 Berichte aus der Chemie Norbert Lutterbach Strukturen und osmotischer Druck geordneter Latex-Suspensionen Eine Untersuchung mit Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung. D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 1999

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Lutterbach, Norbert: Strukturen und osmotischer Druck geordneter Latex-Suspensionen : Eine Untersuchung mit Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung / Norbert Lutterbach. - Als Ms. gedr. - Aachen : Shaker, 1999 (Berichte aus der Chemie) Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 1999 ISBN Copyright Shaker Verlag 1999 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

4 Danksagung Die vorliegende Arbeit wurde am Lehrstuhl für Physikalische Chemie II der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen unter Anleitung von Herrn Prof. Dr. H. Versmold durchgeführt. Meinen aufrichtigen Dank möchte ich an dieser Stelle Herrn Prof. Dr. H. Versmold aussprechen, der mir durch die sehr interessante Themenstellung und seine fortwährende Unterstützung sowie sein stetes Interesse an meiner Arbeit diese letztlich erst ermöglichte. Herrn Prof. Dr. M. Zeidler danke ich ganz herzlich für die Übernahme des Korreferates und die aufmerksame Durchsicht des Manuskriptes. Frau Dr. V. Reus sei hier besonders gedankt für die zahlreichen anregenden Diskussionen und für fünf Jahre experimenteller Zusammenarbeit auf dem Gebiet der kolloidalen Suspensionen sowie für die freundliche Aufnahme in ihren damaligen Arbeitskreis am Commissariat à l Energie Atomique (C.E.A., Saclay, Frankreich). Insbesondere danke ich für die Unterstützung bei allen Röntgenkleinwinkelstreuexperimenten, die an der USAXS-Kamera in Saclay im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Herrn Dr. L. Belloni vom C.E.A. möchte ich ebenfalls meinen ganz, ganz herzlichen Dank aussprechen für seine Teilbetreuung auf dem Gebiet der partiellen Strukturfaktoren in binären Mischungen. Überaus fruchtbare Diskussionen und Anregungen trugen maßgeblich zum Gelingen dieses Abschnittes meiner Arbeit und der diesbezüglichen Publikationen bei. Des weiteren sei ihm hier ebenfalls gedankt für die Bereitstellung seiner HNC- und PBC-Programme. Herrn Dr. P. Lindner vom Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble, Frankreich) danke ich für die freundliche Betreuung der Kleinwinkelneutronenstreuexperimente am D11-Instrument in Grenoble. Herrn Dr. G. Löhr und Herrn Dr. P. Fischer von der Hoechst AG (Frankfurt) danke ich besonders für die unkomplizierte und rasche Bereitstellung der perfluorierten Kolloidpartikel und deren Analyse mittels Aerosolspektroskopie. Herrn E. Jansen vom Institut für Kunststoff-Verarbeitung (IKV, Aachen) und Frau Dr. B. Severich vom Deutschen Wollforschungsinstitut (DWI, Aachen) gilt mein Dank für die Hilfeleistung bei den Transmissionselektronen- und Rasterelektronenaufnahmen der in dieser Arbeit benutzten Kolloidpartikel bzw. für deren Untersuchung mittels Rasterkraftmikroskopie. Bei Herrn E. Knauf und Herrn P. Palm von der mechanischen Werkstatt möchte ich mich sehr für die zügige und überaus kompetente Arbeit und Hilfe bei Konstruktion und Bau der Sedimentationsapparatur bedanken. Allen Mitarbeitern des Arbeitskreises, die zum Gelingen dieser Arbeit durch Hilfsbereitschaft praktischer sowie theoretischer Natur beigetragen haben, sei ein herzliches Danke ausgesprochen. Hierbei seien besonders Herr Dipl.-Chem. B. Collet und seine fortwährende kollegiale Unterstützung, insbesondere bei den Raman-Messungen sowie Herr Dipl.-Chem. A. Bierbaum und seine stete berufliche Freundschaft erwähnt. Aachen, im April 1999 Norbert Lutterbach

5 Ich weiß keinen Zweig der heutigen Naturwissenschaften, der derartig viele und verschiedenartige Interessenkreise berührt, wie die Kolloidchemie. Gewiß, auch Atomtheorie und Radioaktivität interessieren heute jeden intellektuell wachen Menschen. Aber dies sind geistige Delikatessen verglichen mit der Kolloidchemie, die für viele theoretische und praktische Gebiete nötig ist heute wie das liebe Brot. Wolfgang Ostwald, zu allen Zeiten ist man auch nicht aufgelegt zum Arbeiten, hinschmieren könnte ich freylich den ganzen Tag fort; aber so eine Sach kommt in die Welt hinaus, und da will ich halt, daß ich mich nicht schämen darf, wenn mein Namm drauf steht... Wolfgang Amadeus Mozart, 1778 Meinen Eltern in tiefer Dankbarkeit gewidmet

6 Teile dieser Arbeit sind veröffentlicht worden in: Reus, V., Belloni, L., Zemb, Th., Lutterbach, N., Versmold, H., J. Phys. II 7, 603 (1997) Lutterbach, N., Versmold, H., Reus, V., Belloni, L., Zemb, Th., Langmuir 15, 337 (1999) Lutterbach, N., Versmold, H., Reus, V., Belloni, L., Zemb, Th., Lindner, P., Langmuir, 15, 345 (1999)

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Theoretischer Teil Elektrostatische Stabilisierung kolloidaler Partikel Statische Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung Lichtstreuung Röntgen- und Neutronenstreuung Kristalline Strukturen in hochreinen Kolloidsuspensionen Osmotischer Druck in kolloidalen Systemen Experimenteller Teil Darstellung und Reinigung der Kolloidpartikelsuspensionen Streuapparaturen Lichtstreuung Ultrakleinwinkelröntgenstreuung (USAXS) Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) Konduktometrische Titration Sedimentationsapparatur Experimentpräparation der Suspensionen Präparation der binären Mischungen Präparation der 2D-hexagonalen Schichtstrukturen Präparation der Sedimentationssäulen...47

8 4 Ergebnisse und Diskussion Partielle Strukturfaktoren binärer Mischungen Partikelcharakterisierung Ultrakleinwinkelröntgenstreumessungen (USAXS) an binären Mischungen Kleinwinkelneutronenstreumessungen (SANS) an binären Mischungen Lichtstreuung an zweidimensionalen hexagonalen Ordnungen Partikelcharakterisierung Untersuchung 2D-hexagonaler Schichtstrukturen am Beispiel eines hochgeordneten Polystyrollatex Sedimentation perfluorierter Latices: Phasendiagramm, osmotischer Druck und Paarpotential Partikelcharakterisierung Sedimentation Strukturen und Phasendiagramm Osmotischer Druck und Zustandsgleichung Interpartikuläre Kraft und Paarpotential Zusammenfassung und Ausblick Anhang A (Rechnung zur Extraktion der partiellen SANS-Intensitäten) Anhang B (Photographien verschiedener Sedimentationszustände) Literaturverzeichnis...149