Dissertations / Theses on the topic 'Kontrolliert radikalische Polymerisation'

Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung funktioneller Materialien, die ein multi-sensitives Ansprechverhalten aufweisen. Die Charakterisierung des Quellverhaltens der Gele stellt die Voraussetzung dar, die phasenseparierten Polymerfilme als multi-sensitive Sensorschichten mit verbessertem Ansprechverhalten einzusetzen. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in der Synthese von AB-Blockcopolymeren, die im wässrigen Medium auf die Temperatur oder auf die Temperatur und den pH-Wert ansprechen. Unter Verwendung der Makroinitiator-Technik werden Blockcopolymere synthetisiert. Zunächst werden temperatur-sensitive Polymere mit einem wasserlöslichen Polyethylenglykol-Block (PEG) und N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) mittels "Atom Transfer Radical Polymerization" (ATRP) hergestellt. Die Umsetzung der durch "Nitroxide Mediated Radical Polymerization" (NMRP) hergestellten pH-sensitiven Poly(2-vinylpyridin)-Blöcke (P2VP) mit NIPAAm führt zu multi-sensitiven Blockcopolymeren. Da die Polymere auf ihre Quelleigenschaften in dünnen Filmen hin untersucht werden sollen, ist die Verwendung eines Chromophors, der in den NIPAAm-Block einpolymerisiert wird, nötig. Die Vernetzung der Polymerfilme erfolgt photochemisch. Das Quellverhalten der Polymerschichten wurde mit der Methode der "Surface Plasmon Resonance"-Spektroskopie (SPR) charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, multi-sensitive Polymere darzustellen und deren Sensitivität in dünnen Polymerfilmen nachzuweisen. Bei den synthetisierten Polymeren handelt es sich um neuartige und funktionelle Materialien.

Fullerenhaltige Bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Polymerbasis zeigen derzeit eine geringe Langzeitstabilität, die unter anderem auf der Entmischung der Bulkphasen beruht. In dieser Arbeit wurden daher auf neuartige Weise Blockcopolymere entwickelt, die zur Stabilisierung der Phasen dienen können. Ausgehend von Poly-3-hexylthiophen-Makroinitiatoren wurde ein zweiter Block mit reaktivem Comonomer polymerisiert, das zur Anbindung von reinem Fullerens bzw. von Fullerenderivaten diente. Die fullerenfunktionalisierten Polymere wurden in Modell-Systeme eingemischt und zeigten erste Verbesserungen bezüglich der Phasenstabilisierung.

Gegenstand dieser Arbeit war die Synthese von thermisch schaltbaren Kammcopolymeren auf Basis von N-(Isopropylacrylamid) (NiPAAm) und Polyethylenglykolmakromonomeren (PEGMA). Die intensive Charakterisierung der aus diesen Copolymeren hergestellten Schichten und deren Anwendung als Zellkultursubstrate war ein weiteres Forschungsziel dieser Arbeit. Die mit Hilfe der neuartigen Schichten erhaltenen Zellkultursubstrate wurden anhand verschiedener adhärenter Zelllinien erfolgreich getestet. Alle getesten Zelltypen (Mausfibroblasten, humane Endothelzellen der Nabelschnurvene und humane korneale Endothelzellen) proliferierten auf den angebotenen Zellkultursubstraten bei 37°C und konnten durch senken der Temperatur geerntet werden.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Darstellung sensitiver Blockcopolymere und deren Gele, die als Ausgangsmaterialien in Sensor- und Aktorsystemen einsetzbar sind. Die Vereinigung verschiedener Ansprechparameter stellt erhöhte Anforderung an die Synthese. Geringe Ansprechzeiten lassen sich mit einer Gelgröße im µm-Bereich erreichen. Hydrogele dieser Größenordnungen können durch nachträgliche Vernetzung funktioneller linearer Polymere ermöglicht werden. Die Makroinitiatormethode ermöglichte den Aufbau verschiedener linearer photovernetzbarer Blockcopolymere. Zum Einen wurde das temperatursensitive P(n-BuAc)-block-P(PNIPAAm-co-DMIAAm) erhalten, des Weiteren gelang die Darstellung der multi-sensitiven Blockcopolymere P2VP-block-P(NIPAAm-co-DMIAAm) und P4VP-block-P(NIPAAm-co-DMIAAm). Die Blockcopolymere wurden mit variierenden Blocklängen und Verhältnissen sowie mit unterschiedlichem Vernetzergehalt dargestellt. Die Charakterisierung der Blockcopolymere erfolgte mittels 1H-NMR-Spektroskopie, GPC-Messungen (Zusammensetzung) und DSC-Messungen (thermische Eigenschaften). Das Löslichkeitsverhalten in wässrigen Medien wurde durch Dynamische Lichtstreuung bestimmt. Die Beschreibung des Quellverhaltens der vernetzten Schichten erfolgte durch vornehmlich durch optische Methoden (SPR/OWS, WAMS, Ellipsometrie). Die Veränderung des E-Moduls in Abhängigkeit äußerer Parameter konnte mittels AFM untersucht werden. Die Reaktion der Schichten wurde gegenüber Temperatur, pH-Wert und Salzkonzentrationen getestet. Die charakterisierten Filme konnten im Anschluss als sensitive Schichten in piezoresistiven Sensorsystemen verwendetet werden.

Multifunctional monomers on the basis of acryl- and methacryl derivatives were synthesized and different protective groups were used. After polymerization the protective groups were removed by different methods. Various initiators for the NMP of the monomers were synthesized and the reaction conditions were optimized. The results showed that NMP was not a suitable method for multifunctional acryl- and methacryl derivatives to achieve well-defined homopolymers, although it was successful for control of polymerization of styrene and block copolymerization of multifunctional acryl- and methacryl derivatives with alkoxyamine terminated polystyrene. The ATRP of multifunctional acrylates and methacrylates has been successfully performed, as well as the block copolymerization of multifunctional acrylates and methacrylates. Relatively low polydispersities of the corresponding polymers (PD=1.18-1.36) and reasonably high rates of polymerization could be achieved when Me6TREN and PMDETA were used as ligands. However, the ATRP of multifunctional acrylamides and methacrylamides failed. The RAFT-polymerization of styrene, acrylamide and acrylate using BDTB as a CTA and AIBN as an initiator afforded polymers with narrow molecular weight distribution (PD=1.13-1.26). A kinetic investigation and the further synthesis of block copolymers using dithioester-terminated homopolymers as macroCTAs showed that the RAFT polymerization of acrylamide M9b proceeded in a living manner. However, BDTB does not control the reaction of methacrylic monomers, such as methacrylates and methacrylamides. The bulk phase behavior of the block copolymers were examined by means of DSC and the surface behaviors of block copolymers as thin layers were examined with AFM. Two-phase transitions in the block copolymers were observed clearly by DSC, indicative of the appearance of phase separations, which were seen in an AFM image. In conclusion, multifunctional acryl- and methacryl derivatives failed to achieve well-defined homopolymers by NMP. However, this method was successful for block copolymerization of multifunctional acryl- and methacryl derivatives with alkoxyamine terminated polystyrene. Multifunctional acrylates and methacrylates were successfully homopolymerized and block copolymerized by ATRP. Multifunctional acrylates and acrylamides were suitable for homopolymerization and block copolymerization by the RAFT process. Thus far, it is difficult to homopolymerize multifunctional methacrylamides in controlled way.

Reversible addition-fragmentation transfer (RAFT) was used as a controlling technique for studying the aqueous heterophase polymerization. The polymerization rates obtained by calorimetric investigation of ab initio emulsion polymerization of styrene revealed the strong influence of the type and combination of the RAFT agent and initiator on the polymerization rate and its profile. The studies in all-glass reactors on the evolution of the characteristic data such as average molecular weight, molecular weight distribution, and average particle size during the polymerization revealed the importance of the peculiarities of the heterophase system such as compartmentalization, swelling, and phase transfer. These results illustrated the important role of the water solubility of the initiator in determining the main loci of polymerization and the crucial role of the hydrophobicity of the RAFT agent for efficient transportation to the polymer particles. For an optimum control during ab-initio batch heterophase polymerization of styrene with RAFT, the RAFT agent must have certain hydrophilicity and the initiator must be water soluble in order to minimize reactions in the monomer phase. An analytical method was developed for the quantitative measurements of the sorption of the RAFT agents to the polymer particles based on the absorption of the visible light by the RAFT agent. Polymer nanoparticles, temperature, and stirring were employed to simulate the conditions of a typical aqueous heterophase polymerization system. The results confirmed the role of the hydrophilicity of the RAFT agent on the effectiveness of the control due to its fast transportation to the polymer particles during the initial period of polymerization after particle nucleation. As the presence of the polymer particles were essential for the transportation of the RAFT agents into the polymer dispersion, it was concluded that in an ab initio emulsion polymerization the transport of the hydrophobic RAFT agent only takes place after the nucleation and formation of the polymer particles. While the polymerization proceeds and the particles grow the rate of the transportation of the RAFT agent increases with conversion until the free monomer phase disappears.

The degradation of the RAFT agent by addition of KPS initiator revealed unambigueous evidence on the mechanism of entry in heterophase polymerization. These results showed that even extremely hydrophilic primary radicals, such as sulfate ion radical stemming from the KPS initiator, can enter the polymer particles without necessarily having propagated and reached a certain chain length. Moreover, these results recommend the employment of azo-initiators instead of persulfates for the application in seeded heterophase polymerization with RAFT agents.

The significant slower rate of transportation of the RAFT agent to the polymer particles when its solvent (styrene) was replaced with a more hydrophilic monomer (methyl methacrylate) lead to the conclusion that a complicated cooperative and competitive interplay of solubility parameters and interaction parameter with the particles exist, determining an effective transportation of the organic molecules to the polymer particles through the aqueous phase. The choice of proper solutions of even the most hydrophobic organic molecules can provide the opportunity of their sorption into the polymer particles. Examples to support this idea were given by loading the extremely stiff fluorescent molecule, pentacene, and very hydrophobic dye, Sudan IV, into the polymer particles.

Finally, the first application of RAFT at room temperature heterophase polymerization is reported. The results show that the RAFT process is effective at ambient temperature; however, the rate of fragmentation is significantly slower. The elevation of the reaction temperature in the presence of the RAFT agent resulted in faster polymerization and higher molar mass, suggesting that the fragmentation rate coefficient and its dependence on the temperature is responsible for the observed retardation.
Um neue Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zu erstellen, muss man in der Lage sein, die Struktur der Moleküle zu kontrollieren, aus denen die Materialien bestehen. Für das Maßschneidern solcher neuer Eigenschaften besitzen Polymere ein großes Potenzial: Dies sind sehr lange Moleküle, die aus einer großen Zahl von kleineren Einheiten aufgebaut sind. Proteine und DNS sind Beispiele für natürliche Polymere; Plastik und Gummi sind Beispiele für künstliche Polymere. Letztere werden üblicherweise durch das Zusammenfügen einer Reihe von kleineren Molekülen, den Monomeren, hergestellt. Schon lange versuchen Wissenschaftler, die Anordnung, Anzahl und Art dieser Monomere zu kontrollieren, die sich in der Struktur der Polymermoleküle widerspiegeln. Die gebräuchlichste Methode zur kommerziellen Produktion von Polymeren ist die so genannte freie radikalische Polymerisation. Die Strukturkontrolle durch diese Methode ist jedoch relativ schwierig und wurde maßgeblich erst im letzten Jahrzehnt entwickelt. Trotz der Existenz einiger effektiver Kontrollmethoden ist ihre industrielle Anwendung bislang sehr beschränkt, weil sie nicht für die Emulsionspolymerisation verwendbar sind. Die Emulsionspolymerisation ist die gängigste Technik in der industriellen Produktion von Polymeren. Es handelt sich dabei um ein vergleichsweise umweltfreundliches Verfahren, denn es werden keine organischen Lösungsmittel verwendet. Stattdessen dient Wasser als Lösungsmittel, in dem die Polymere in Form von kleinen, fein verteilten Partikeln vorliegen. In der Natur kommt dieses Prinzip beispielsweise in Pflanzen bei der Bildung von Kautschuk - allgemein als Latex bezeichnet - vor. Schließlich ist die Emulsionspolymerisation einfach durchzuführen: Das Produkt ist in vielen Fällen gebrauchsfertig, und es gibt viele technische Vorteile im Vergleich zu anderen Herstellungsprozessen.

Doch bevor die Probleme beim Einsatz von Kontrollmethoden in der Emulsionspolymerisation gelöst werden können, müssen erst ihre Ursachen geklärt werden. Dies ist eine unverzichtbare Vorraussetzung zum Übertragen von Forschungsergebnissen auf das tägliche Leben.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Probleme, die für die kontrollierte radikalische Polymerisation in Emulsion von Bedeutung sind. Die wichtigste Fragestellung in der Emulsionspolymerisation zielt auf die Löslichkeit der Reaktionskomponenten in den verschiedenen Phasen, wie z.B. in Wasser oder in den Polymerpartikeln. Die Kontrollmethode der Wahl für diese Arbeit ist "Reversibler Additions-Fragmentierungs Transfer" (RAFT). Die RAFT-Methode ist die modernste Kontrollmethode, und sie ist für viele Reaktionsbedingungen und viele Arten von Monomeren anwendbar.