{"id":79,"date":"2016-08-07T11:17:28","date_gmt":"2016-08-07T09:17:28","guid":{"rendered":"http:\/\/sfischer.name\/wordpress\/?p=79"},"modified":"2016-08-07T11:17:28","modified_gmt":"2016-08-07T09:17:28","slug":"diplomarbeit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/sfischer.name\/wordpress\/2016\/08\/07\/diplomarbeit\/","title":{"rendered":"Diplomarbeit"},"content":{"rendered":"

(aus der Zusammenfassung der Arbeit entnommen)<\/p>\n

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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 pr\u00e4zise von Rot bis Blau einstellen lassen.<\/p>\n\n\n\n\n
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Farbwechsel bei Deformation der Kolloidkristallfolien<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Um einen Farbeffekt im sichtbaren Bereich mittels Bragg-Streuung zu erhalten, ist es prim\u00e4r notwendig, ausreichend gro\u00dfe Teilchen (ca. 320 nm) in eine \u00fcber gro\u00dfe Bereiche geordnete Struktur zu bringen. Damit sich nur die Teilchenabst\u00e4nde und somit die reflektierte Wellenl\u00e4nge dynamisch \u00e4ndern k\u00f6nnen und ein Farbwechsel durch einfache Dehnung der Kolloidkristalle m\u00f6glich ist, wurde ein spezielles Konzept entwickelt. Die f\u00fcr die Bragg-Streuung zust\u00e4ndigen regelm\u00e4\u00dfig 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 k\u00f6nnen dann miteinander verfilmen und bilden die Matrix, w\u00e4hrend die harten Kerne an ihrem Ort bleiben und als Streuzentren dienen. F\u00fcr 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 k\u00f6nnen, ohne dass dabei hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen gestellt werden m\u00fcssen. Dies ist besonders f\u00fcr die industrielle Produktion von Interesse.<\/p>\n\n\n\n\n
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Ursache f\u00fcr den Farbwechsel bei Deformation: Der Teilchenabstand \u00e4ndert sich.<\/td>\nKristallisation und Verfilmung.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Die Eignung der vorhandenen Kolloiddispersionen bzw. der hergestellten Kolloidkristallfolien wurden mit verschiedenen Messmethoden untersucht. Durch den Einsatz von AFM und DIC-Mikroskopie konnte die Qualit\u00e4t 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 durchgef\u00fchrt.<\/p>\n

\"AFM
AFM Messung mit FFT (Fast-Fourier Transformation) der Oberfl\u00e4che einer Kolloidkristallfolie.<\/figcaption><\/figure>\n

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\"Beobachtung
Beobachtung des Trocknungsvorgangs mittels Video-DIC (Differential Interference Contrast) Mikroskopie.<\/figcaption><\/figure>\n
\"USASX
USASX (Ultra-Small Angle X-Ray Scattering) Aufnahmen der Kolloidkristallfolien um Urprungszustand und w\u00e4hrend der Deformation.<\/figcaption><\/figure>\n

Die zu Beginn vorliegenden Systeme zeigten nur sehr geringe Farbeffekte und waren au\u00dferdem weitestgehend unelastisch. Durch eine Ver\u00e4nderung der Zusammensetzung der Kern-Schale-Kolloide, welche durch die Abteilung GKP\/A (Acrylester-Dispersionen) der BASF durchgef\u00fchrt wurde, stellten sich erste Erfolge ein. Die notwendige Elastizit\u00e4t war endlich gegeben, um einen Farbwechsel durch mechanische Belastung der Folien zu erreichen.<\/p>\n

Durch weitere chemische Variationen konnte der Farbeffekt deutlich verbessert werden. Insbesondere das Einbringen von Uvinulen in den Kern, um dort lokal den Brechungsindex zu erh\u00f6hen, sowie die Variation der bei der Emulsionspolymerisation verwendeten Tenside zeigten hier Wirkung. Es stellte dich desweiteren heraus, dass sich durch Ver\u00e4nderung der Kristallisationsbedingungen eine Verbesserung erreichen l\u00e4sst. Besonders die Pr\u00e4paration der Kolloidkristallfolien aus verd\u00fcnnten Dispersionen erwies sich als erfolgversprechender Ansatz. Durch die hohe Verd\u00fcnnung ist in der Dispersion scheinbar eine bessere Vorordnung m\u00f6glich. Dazu kommt, dass durch die erh\u00f6hte Trocknungsdauer die Kolloide mehr Zeit haben, gro\u00dfe geordnete Bereiche zu bilden.<\/p>\n

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 hierf\u00fcr angelegten Hochspannungen bzw. elektrischen Felder f\u00fchrten leider stets zu einem elektrischen Durchbruch bevor ein Farbwechsel beobachtet werden konnte. Daf\u00fcr wurden Erkl\u00e4rungsans\u00e4tze gesucht und es wurde versucht, Optimierungen am System durchzuf\u00fchren: 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 vollst\u00e4ndig verloren. Durch Zugabe von Ladungstr\u00e4gern und Tensiden in geringen Mengen wurde versucht, die Farbe wiederherzustellen. Dies gelang erst durch die Verwendung eines anionischen Tensids. Eine vollst\u00e4ndige Erkl\u00e4rung f\u00fcr diesen Effekt kann leider noch nicht gegeben werden. Durch weitere Anpassungen der verwendeten Systeme sollte es m\u00f6glich sein, Elektrostriktion zur \u00c4nderung der Farbe zu verwenden.<\/p>\n

\"Aufbau
Aufbau zur Schaltung des Farbwechsels mittels Elektrostriktion.<\/figcaption><\/figure>\n

Die am BW4 des HASYLAB durchgef\u00fchrten USAXS-Messung waren zu Beginn der Arbeit nicht vorgesehen, konnten dann aber durch einen gl\u00fccklichen Zufall durchgef\u00fchrt werden. Sie geh\u00f6ren deshalb eigentlich nicht in den \u00fcbrigen Kontext. Es konnte durch die Kleinwinkelstreuung eine Untersuchung der dreidimensionalen Struktur durchgef\u00fchrt werden. Zusammen mit den AFM-Messergebnissen zeigt sich klar, dass die Kolloide in den Filmen eine fcc-Struktur ausbilden. Durch Messung des Streuverhaltens w\u00e4hrend einer Dehnung der Proben konnten weitere interessante Erkenntnisse gewonnen werden. Hier sticht hervor, dass kein affines Verhalten vorliegt. In einem ersten Erkl\u00e4rungsversuch wurde davon ausgegangen, dass sich die Form der harten, mikroskopischen Kerne nicht der makroskopischen Deformation anpasst. Die Kerne sto\u00dfen beim Verformen aneinander und blockieren sich gegenseitig. Durch anschlie\u00dfend durchgef\u00fchrte AFM-Untersuchungen an einer gedehnten Probe konnte dieses Verhalten best\u00e4tigt werden. Eine ausf\u00fchrlichere Auswertung soll im Anschluss an diese Arbeit gesondert ver\u00f6ffentlicht werden.<\/p>\n

In einer abschlie\u00dfenden wirtschaftlichen Bewertung wurde versucht, m\u00f6gliche Anwendungsgebiete f\u00fcr die entwickelten Systeme aufzuzeigen. Dazu wurden jeweils die Machbarkeit, das Marktpotential, die Konkurrenzsituation sowie die notwendigen Optimierungsschritte beurteilt.<\/p>\n

Die vollst\u00e4ndige Arbeit ist auf\u00a0www.wirtschaftsphysik.de<\/a>\u00a0unter den Downloads sowie\u00a0hier\u00a0<\/a>zu finden zu finden. Aus der Arbeit entstand auch eine\u00a0Posterpr\u00e4sentation<\/a>, welche auf dem SPM Workshop 2005 in Dresden mit dem Posterpreis pr\u00e4miert wurde. Weiterhin wurden Ergebnisse des Projekts auch in Zeitschriften ver\u00f6ffentlicht und patentiert:<\/p>\n