Universität zu Köln

Überkritische Kohlenstoffdioxid-Mikroemulsionen als Vorstufen für Nanoschäume - Darstellung, Charakterisierung und Nanostruktur

Kramer, Lorenz G. A. (2008) Überkritische Kohlenstoffdioxid-Mikroemulsionen als Vorstufen für Nanoschäume - Darstellung, Charakterisierung und Nanostruktur. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Überkritische Kohlenstoffdioxid (CO2) - Mikroemulsionen stellen die Basis zur Herstellung neuartiger, hochisolierender Nanoschäume nach dem von STREY et al. entwickelten POSME-Verfahren (Principle Of Supercritical Microemulsion Expansion) dar. Diese Arbeit legt den Schwerpunkt auf der Darstellung effizienter überkritischer CO2-Mikroemulsionen und der Charakterisierung des Phasenverhaltens sowie der Nanostruktur. Startpunkt war eine ineffiziente CO2-Mikroemulsion mit nichtfluorierten Tensiden. Durch den Einsatz von technischen, nichtionischen, fluorierten Tensiden konnte die Effizienz der Mikroemulsion um rund 70% gesteigert werden. Einblicke in die Nanostruktur dieser effizienten CO2-Mikroemulsionen gaben verschiedene Streumethoden: die Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) und die dynamische Lichtstreuung (DLS). Diese wurden möglich durch den Aufbau zweier neuer Hochdruckzellen HPSANS und HPDLS. Eine bikontinuierliche Nanostruktur von CO2-Mikroemulsionen konnte so zum ersten Mal mit SANS-Experimenten nachgewiesen werden, wobei sich Strukturgrößen zwischen 2 - 26 nm ergaben. Die Charakterisierung der Tröpfchenstruktur erfolgte mit beiden Hochdruckzellen HPSANS und HPDLS und ergab den gleichen Durchmesser für eine Probe gleicher Zusammensetzung. Aus Drucksprungexperimenten an einer Tröpfchen-Mikroemulsion konnte mit HPDLS gezeigt werden, dass es eine reversible Druckabhängigkeit des Tröpfchenradius gibt: Mit sinkendem Druck wird der Radius größer, mit steigendem Druck kleiner. Zusätzlich wurde ein weiterer Meilenstein in der Verwirklichung fixierbarer Mikroemulsionen gesetzt, indem erfolgreich eine hochviskose Mikroemulsion mit 75% Zucker als Modellmonomer in der hydrophilen Phase und nahekritischem Propan bei einem Druck von 250 bar formuliert wurde. Damit wurde erstmals gezeigt, dass die ersten zwei Stufen des POSME-Prinzips zur Herstellung neuartiger Nanoschäume auf der Basis von überkritischen CO2-Mikroemulsionen technisch realisierbar sind.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Supercritical carbon dioxide (CO2) - microemulsions can be used in the production of novel insulating nanofoams. These nanofoams are obtained via POSME (Principle of Supercritical Microemulsion Expansion), a method developed by STREY and al. The focus of this thesis is to achieve efficient supercritical CO2-microemulsions and to study their nanostructure and phase behavior. Starting point was inefficient CO2-microemulsions containing non-ionic, hydrocarbon, technical grade surfactants. By step-wise replacing the hydrocarbon surfactant by a non-ionic, fluorinated, technical grade one, the efficiency of such systems was boosted by around 70%. Insights into the nanostructure of these efficient supercritical CO2-microemulsions were gained by scattering techniques: small angle neutron scattering (SANS) and dynamic light scattering (DLS). This only became possible after the design and construction of two high pressure cells HPSANS and HPDLS for SANS and DLS, respectively. The bicontinuous nanostructure of supercritical CO2-microemulsions was for the first time shown by SANS experiments, which revealed a domain size varying between 2 - 26 nm. The droplet structure of supercritical CO2-microemulsions was investigated using both high pressure cells HPSANS and HPDLS, which yielded the same droplet diameter for a given system composition. Furthermore, pressure jump experiments performed in HPDLS showed a reversible dependency of the size of the droplet radius on the applied pressure: dropping the pressure increases, while compression decreases the droplet radius. Additionally, the first milestone in realizing fixable microemulsions was set by the successful preparation of a highly viscous microemulsion containing near-critical propane at a pressure of 250 bar and 75% sucrose (as model monomer in the hydrophilic phase). Consequently, the technical realization of the initial two production steps of novel nanofoams via POSME, based on supercritical CO2-microemulsions, was successfully achieved for the first time.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Kramer, Lorenz G. A.lorenz.kramer@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-24319
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Nanoschaum , Hochdruck , überkritisches Kohlenstoffdioxid , dynamische Lichtstreuung (DLS) , Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS)German
    nano foam , high pressure , supercritical carbon dioxide , dynamic light scattering (DLS) , small angle neutron scattering (SANS)English
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Physikalische Chemie
    Language: German
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 21 April 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 20 Aug 2008 11:56:16
    Referee
    NameAcademic Title
    Strey, ReinhardProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2431

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