Isotrope und anisotrope Oberflächenmodifizierungen von oxidischen Nanopartikeln mit ionischen Funktionalitäten

Abstract

Zur Modifizierung der Oberflächen von Metalloxidnanopartikeln mit ionischen Funktionalitäten wurden zwei Methoden entwickelt: 1. Molekulare Funktionalisierung mit organischen Phosphonsäuren mit Ammonium- oder Sulfonatendgruppen als Kupplungsreagenzien. Die entsprechenden Phosphonsäuren wurden synthetisiert. 2. Makromolekulare Funktionalisierung durch grafting-from-Polymerisation auf mit einem ATRP-Initiator modifizierten Partikeln. Polymerisation von geladenen Monomeren (METAC bzw. SPMA) führte zu sehr geringen Kettenlängen. Bessere Ergebnisse zeigten Polymerisationen von ungeladenen Monomeren (DEAEMA bzw. GMA), deren funktionelle Gruppen danach zu Ladungsträgern umgesetzt wurden. Eine Einstellung der Ladungsdichte über Comodifizierung bzw. -polymerisation mit ungeladenen Kupplungsreagenzien bzw. Monomeren gelang auf beiden Routen. Dipolare Janus-Partikel wurden auf molekularem Weg durch Synthese in Pickering-Emulsion erhalten. Auf makromolekularem Weg konnten in einer siebenstufigen Synthese dipolare Janus-Partikel erhalten werden. Es wurden zwei Möglichkeiten von Selbstanordnungsphänomenen durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen isotrop molekular funktionalisierten, geladenen Partikel untersucht: 1. Die Anhaftung von kleinen, positiv modifizierten ZrO2-Partikeln an großen, negativ funktionalisierten SiO2-Partikeln; 2. Schichten von entgegengesetzt geladenen TiO2- und ZrO2-Partikeln in einem Layer-by-Layer-Verfahren auf flachen Substraten.

Two methods to modify metal oxide nanoparticles with ionic functionalities were developed: 1. Molecular functionalization with organophosphorous coupling agents bearing ammonium or sulfonate terminal groups. All phosphonic acids were synthesized during this work. 2. Macromolecular functionalization by grafting-from polymerisation on particles modified with an ATRP initiator. Polymerisation of charged monomers (METAC or SPMA) only yielded low chain lengths. Better results were achieved by polymerisation of uncharged monomers (DEAEMA or GMA), whose functional groups were transformed to charge carriers later on. For both ways, charge density was shown to be adjustable by comodification or copolymerization with an uncharged coupling agent or monomer. Dipolar Janus particles were synthesized by molecular functionalization in Pickering emulsion. Following the macromolecular route, dipolar Janus particles were prepared in a synthesis of seven steps. Two possibilities of self-assembling phenomena caused by electrostatic interactions between isotropically molecularly functionalized, charged particles were investigated: 1. Attachment of small, positively modified ZrO2 particles to bigger, negatively charged SiO2 particles; 2. Layers of oppositely charged TiO2 and ZrO2 particles on plane glass or Si substrates in a layer-by-layer process.