Diplomarbeit

(aus der Zusammenfassung der Arbeit entnommen)

 

Ziel meiner Diplomarbeit bei der BASF AG war es, das Verfilmungs- und Kristallisationsverhalten von Kolloidkristallfolien zu optimieren. Diese sollten danach einerseits starke Farbeffekte durch Bragg-Streuung zeigen, andererseits sollte sich die Farbe durch entsprechende mechanische Belastung präzise von Rot bis Blau einstellen lassen.

Farbwechsel bei Deformation der Kolloidkristallfolien

Um einen Farbeffekt im sichtbaren Bereich mittels Bragg-Streuung zu erhalten, ist es primär notwendig, ausreichend große Teilchen (ca. 320 nm) in eine über große Bereiche geordnete Struktur zu bringen. Damit sich nur die Teilchenabstände und somit die reflektierte Wellenlänge dynamisch ändern können und ein Farbwechsel durch einfache Dehnung der Kolloidkristalle möglich ist, wurde ein spezielles Konzept entwickelt. Die für die Bragg-Streuung zuständigen regelmäßig angeordneten Streuzentren befinden sich dazu in einer elastischen Matrix. Eine solche Struktur wird dadurch erreicht, dass sich polymere Kern-Schale-Kolloide, die in einer Dispersion vorliegen, beim Abtrocknen periodisch anordnen. Die weichen Schalen können dann miteinander verfilmen und bilden die Matrix, während die harten Kerne an ihrem Ort bleiben und als Streuzentren dienen. Für den Farbeffekt ist dabei entscheidend, dass ein gewisser Brechungsindexunterschied zwischen der elastomeren Matrix und den Kernen besteht. Dieser Ansatz zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Folien in relativ kurzer Zeit hergestellt werden können, ohne dass dabei hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen gestellt werden müssen. Dies ist besonders für die industrielle Produktion von Interesse.

Ursache für den Farbwechsel bei Deformation: Der Teilchenabstand ändert sich.	Kristallisation und Verfilmung.

Die Eignung der vorhandenen Kolloiddispersionen bzw. der hergestellten Kolloidkristallfolien wurden mit verschiedenen Messmethoden untersucht. Durch den Einsatz von AFM und DIC-Mikroskopie konnte die Qualität der Ordnung untersucht werden. Mittels Video-DIC-Messungen wurde der Kristallisationsprozess beobachtet. Daneben wurden noch Farbmessungen zur Untersuchung des Farbspektrums sowie USAXS-Messungen am BW4 des HASYLAB durchgeführt.

 

Die zu Beginn vorliegenden Systeme zeigten nur sehr geringe Farbeffekte und waren außerdem weitestgehend unelastisch. Durch eine Veränderung der Zusammensetzung der Kern-Schale-Kolloide, welche durch die Abteilung GKP/A (Acrylester-Dispersionen) der BASF durchgeführt wurde, stellten sich erste Erfolge ein. Die notwendige Elastizität war endlich gegeben, um einen Farbwechsel durch mechanische Belastung der Folien zu erreichen.

Durch weitere chemische Variationen konnte der Farbeffekt deutlich verbessert werden. Insbesondere das Einbringen von Uvinulen in den Kern, um dort lokal den Brechungsindex zu erhöhen, sowie die Variation der bei der Emulsionspolymerisation verwendeten Tenside zeigten hier Wirkung. Es stellte dich desweiteren heraus, dass sich durch Veränderung der Kristallisationsbedingungen eine Verbesserung erreichen lässt. Besonders die Präparation der Kolloidkristallfolien aus verdünnten Dispersionen erwies sich als erfolgversprechender Ansatz. Durch die hohe Verdünnung ist in der Dispersion scheinbar eine bessere Vorordnung möglich. Dazu kommt, dass durch die erhöhte Trocknungsdauer die Kolloide mehr Zeit haben, große geordnete Bereiche zu bilden.

In Rahmen dieser Arbeit wurde auch versucht, die farbigen und elastischen Kolloidkristallfolien elektrisch schaltbar zu machen. Der Farbwechsel sollte dabei durch Ausnutzung von elektrostriktiven Effekten erreicht werden. Die hierfür angelegten Hochspannungen bzw. elektrischen Felder führten leider stets zu einem elektrischen Durchbruch bevor ein Farbwechsel beobachtet werden konnte. Dafür wurden Erklärungsansätze gesucht und es wurde versucht, Optimierungen am System durchzuführen: Durch Dialyse konnten Salze und andere geladene Teilchen aus der Dispersion entfernt werden, so dass sich die Durchschlagsneigung enorm reduziert. Allerdings ging dabei der Farbeffekt fast vollständig verloren. Durch Zugabe von Ladungsträgern und Tensiden in geringen Mengen wurde versucht, die Farbe wiederherzustellen. Dies gelang erst durch die Verwendung eines anionischen Tensids. Eine vollständige Erklärung für diesen Effekt kann leider noch nicht gegeben werden. Durch weitere Anpassungen der verwendeten Systeme sollte es möglich sein, Elektrostriktion zur Änderung der Farbe zu verwenden.

Die am BW4 des HASYLAB durchgeführten USAXS-Messung waren zu Beginn der Arbeit nicht vorgesehen, konnten dann aber durch einen glücklichen Zufall durchgeführt werden. Sie gehören deshalb eigentlich nicht in den übrigen Kontext. Es konnte durch die Kleinwinkelstreuung eine Untersuchung der dreidimensionalen Struktur durchgeführt werden. Zusammen mit den AFM-Messergebnissen zeigt sich klar, dass die Kolloide in den Filmen eine fcc-Struktur ausbilden. Durch Messung des Streuverhaltens während einer Dehnung der Proben konnten weitere interessante Erkenntnisse gewonnen werden. Hier sticht hervor, dass kein affines Verhalten vorliegt. In einem ersten Erklärungsversuch wurde davon ausgegangen, dass sich die Form der harten, mikroskopischen Kerne nicht der makroskopischen Deformation anpasst. Die Kerne stoßen beim Verformen aneinander und blockieren sich gegenseitig. Durch anschließend durchgeführte AFM-Untersuchungen an einer gedehnten Probe konnte dieses Verhalten bestätigt werden. Eine ausführlichere Auswertung soll im Anschluss an diese Arbeit gesondert veröffentlicht werden.

In einer abschließenden wirtschaftlichen Bewertung wurde versucht, mögliche Anwendungsgebiete für die entwickelten Systeme aufzuzeigen. Dazu wurden jeweils die Machbarkeit, das Marktpotential, die Konkurrenzsituation sowie die notwendigen Optimierungsschritte beurteilt.

Die vollständige Arbeit ist auf www.wirtschaftsphysik.de unter den Downloads sowie hier zu finden zu finden. Aus der Arbeit entstand auch eine Posterpräsentation, welche auf dem SPM Workshop 2005 in Dresden mit dem Posterpreis prämiert wurde. Weiterhin wurden Ergebnisse des Projekts auch in Zeitschriften veröffentlicht und patentiert:

• Wohlleben, W.;   Altmann, S.;   Bartels, F.;   Fischer, S.;   Leyrer, R.J.;   Dissaux, N.;   Heggarty, K.;   Kiyan, R.;   Boyle, M.;„Tunable, elastic, crack-free photonic crystals and polymer opal templates with pre-determined orientation for defect inscription“; Lasers and Electro-Optics, 2007 and the International Quantum Electronics Conference. CLEOE-IQEC 2007
• Wendel Wohlleben, Frank W. Bartels, Stephan Altmann, and Reinhold J. Leyrer; „Mechano-Optical Octave-Tunable Elastic Colloidal Crystals Made from Core−Shell Polymer Beads with Self-Assembly Techniques“;Langmuir, 2007, 23 (6), pp 2961–2969
• From polystyrene beads to photonic devices for telecommunication
• European Patent