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Forschung

Arbeitsgebiete

Untersuchung der Eigenschaften hochkonzentrierter Dispersionen von Polymerkolloiden

Dispersionen von Polymerkolloiden spielen heute eine herausragende Rolle bei der Kunststoffherstellung und -verarbeitung. Sie stellen Basismaterialien für die Produktion von Farben, Lacken, Korrosionschutzbeschichtungen, Klebstoffe und Folien (mehr bei der BASF AG)  dar, finden Anwendung bei der Ausrüstung von Textilien (wasser- und schmutzabweisende Imprägnierungen)(mehr dazu bei Clariant).

Über die wichtige Rolle von Dispersionen in der Anwendung hinaus haben Polymerkolloide in den letzten zwanzig Jahren eine enorme Bedeutung für die Grundlagenforschung gewonnen.

Von den Standardlehrbüchern weitgehend unbeachtet hat sich ein eigenständiges Forschungsgebiet der "weichkondensierten Materie" (aus dem Englischen "soft condensed matter" als Gegensatz zum etablierten Gebiet der "solid state science") entwickelt, welches das allmähliche Zusammenwachsen von Polymerwissenschaften, Kolloidwissenschaften, Biowissenschaften (z.B. Proteine = Biokolloide; Nahrungsmittelkolloide wie Milch, Joghurt, Butter etc.) und Materialforschung widerspiegelt.

Diese Entwicklung basiert auf drei wichtigen Fortschritten:

  1. der Möglichkeit, durch zielgerichtete Synthesen Modellkolloide mit wohldefinierten interpartikulären Wechselwirkungen und engen Teilchengrößenverteilungen herzustellen.
  2. der Etablierung von Lichtstreumethoden, welche Teilchenbewegungen auf den für Kolloide relevanten Längenskalen und Zeitskalen (ca. 10 nm bis 100 m m; 100 ns bis 1000 s oder Diffusionskoeffizienten von 10-8 bis 10-18 cm2s-1) erfassen können .
  3. der Etablierung einer formalen Analogie zwischen Kolloiddispersionen und atomaren Flüssigkeiten (Kolloide = Makroatome).

Da kolloidale Dispersionen auf den typischen Zeit- und Längenskalen der dynamischen Lichtstreuung wie Makroatome erscheinen, besteht eine formale Analogie zwischen konzentrierten Kolloiddispersionen und atomaren Flüssigkeiten (Ausnahme: Einfluß der Brownschen Molekularbewegung auf kurzen Zeitskalen ® hydrodynamische Wechselwirkung). Diese Analogie hat viel zum Verständnis des Verhaltens konzentrierter Kolloiddispersionen beigetragen, da sie es erlaubt, theoretische Konzepte, die aus dem Bereich atomarer Fluide stammen, zur Interpretation von Experimenten an Kolloiddispersionen (Phasenverhalten, Nahordnung, Langzeitdynamik) heranzuziehen. Umgekehrt erlauben Kolloide die Modellierung von Phänomenen wie dem glasartigen Erstarren von Flüssigkeiten und der Nukleation von Kristallen, die in atomaren Systemen nur eingeschränkt experimentell zugänglich sind.

In den Arbeiten der Gruppe wird die Modellierung von grundlegenden Phänomenen aus dem Bereich der "condensed matter science" mit dem "Borgen" von theoretischen Konzepten aus dem atomaren Bereich zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Kolloidarchitektur, Wechselwirkungen und Verhalten konzentrierter Dispersionen verknüpft. Folgende Forschungsthemen werden derzeit in der Gruppe bearbeitetet:

  • Modellierung des Glasübergangs mit Kolloiden
  • Untersuchung der Kristallisation von Mikrogelkolloiden (Kooperation mit T. Palberg, Institut für Physik, Universität Mainz)
  • Zusammenhang von Kolloiddiffusion und rheologischem Verhalten von Dispersionen (Kooperation mit N.Willenbacher und dem Institut für Mechanische Verfahrenstechnik Universität Karlsruhe)
  • Phasenverhalten, Struktur, Dynamik (Diffusion, Rheologie) von binären Mischungen von Mikrogel-Kolloiden
    • Modellierung binärer atomarer Systeme
    • Verständnis von Polydispersitätseffekten
  • Phasenverhalten, Struktur und Dynamik von Mikrogelkolloiden und linearem Homopolymer
    • Induktion attraktiver Wechselwirkungen zwischen Kolloidteilchen ( Modellierung von Lennnard-Jones-Atomen
    • Untersuchung neuartiger Gelzustände und deren Zusammenhang mit dem Glaszustand

 

Synthese und Charakterisierung von Modellkolloiden
  • Polystyrol-Mikrogel-Kolloide mit definierten Wechselwirkungen und enger Radienverteilung über Emulsionspolymerisationstechnik
  • Fluoropolymer/Polystyrol-Kern/Schale Mikrogele als Tracerkolloide
  • Charakterisierung der Teilchenarchitektur (innerer Aufbau, Morphologie) mit statischer Lichtstreuung (SLS) und Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS; Kollaboration mit P. Lindner, ILL Grenoble)
  • Charakterisierung der Kolloid-Wechselwirkungen mit SLS und Rheologie (Kollaboration mit Ch. Friedrich, Freiburger Materialforschungszentrum (FMF))
Methodik

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