Polymer-Schichtsilikat-Nanokomposite - die Allrounder : Vom Lebensmittelregal bis in den Weltraum?

Titelangaben

Habel, Christoph:
Polymer-Schichtsilikat-Nanokomposite - die Allrounder : Vom Lebensmittelregal bis in den Weltraum?
Bayreuth , 2021 . - X, 122 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005239

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Abstract

Within the scope of this work, it was accomplished to produce (bio-) nanocomposites/hybrids based on synthetic layered silicates. These can be used in various low- and high-tech applications due to their versatile characteristics. The main focus was on the barrier properties of these polymeric layered silicate nanocomposites/hybrids. In addition to the determination of suitable manufacturing processes and the research of multi-functional properties, which are of interest for a wide range of applications, a deeper understanding of the influence of layered silicates as fillers on various resulting (composite/polymer) properties was gained.
The solvent route used in this work initially made it possible to produce delaminated layered silicate lamellae, polymeric dispersions. These dispersions can then be further processed by doctor blading or spray coating. In the course of this work, a combined production process of electrospinning and filtration was developed to reduce the production time and increase the drying efficiency. By creating a sandwich structure and subsequent hot pressing, it was possible to produce transparent nanocomposite membranes with improved mechanical and barrier properties.
As already mentioned, spray coating represents a further processing option. This was used in another project to produce a biopolymer layered silicate nanocomposite barrier coating. Especially in the field of food packaging, barrier properties play an important role in terms of food shelf life. Biopolymers, which are considered environmentally friendly alternatives for current petro-based commercial packaging materials, often do not show the desired properties. In this thesis, a water-based thin biopolymer nanocomposite coating was successfully produced, which makes the biopolymer-substrate a competitive sustainable alternative due to the resulting competitive barrier and optical properties, the predominant flexibility and the anti-colonization potential.
However, barrier properties do not only play a major role in the field of food packaging. Highly diffusive gases such as hydrogen, or even helium, are particularly important in the aerospace industry. A water-based high-barrier nanocomposite liner against helium and hydrogen has been developed, which can be used as a barrier coating in lighter-than-air vehicles or space technology. Additionally, the flexibility and competitive barrier properties even outperform high barrier polymers. The developed system is particularly convincing due to its low application weight, which is of enormous relevance especially in lightweight construction applications.
In many fields of application, it is necessary that the above-mentioned barrier properties are maintained even at high humidity levels. For this purpose, copolymers with varying hydrophobic components are often used to control the swelling behavior and thus the barrier properties. Fillers can also change this swelling behavior. Within the scope of this work, a perfectly structured polymer hybrid was produced, which served as a model system to work out a detailed relationship between the filler content, the dependence of the barrier properties on the humidity and the impact of the confinement effect due to high filler contents.
But not only the impermeability of the layered silicates has a positive influence on the barrier properties. Crystalline areas in polymers are also considered impermeable to gases and water vapor. Using a water-based polymer, the interplay of the nucleation and confinement effect based on the filler content of the layered silicates could be worked out. By varying the filler content, it was thus possible to produce nanocomposites with tailor-made crystallinity.
The present work is a cumulative thesis. Therefore, all results are presented in the attached publications.

Abstract in weiterer Sprache

Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen (Bio-)Nanokomposite/Hybride basierend auf synthetischem Schichtsilikat herzustellen, welche aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften in unterschiedlichsten Lowtech- und Hightech-Anwendungen Einsatz finden können. Der Hauptfokus lag hierbei auf den Barriereeigenschaften dieser Polymer-Schichtsilikat-Nanokomposite/-Hybride.
Neben dem Ermitteln geeigneter Herstellungsverfahren und dem Erforschen multifunktionaler Eigenschaften, welche für verschiedenste Anwendungsgebiete von Interesse sind, konnte weiterhin ein vertieftes Verständnis über den Einfluss von Schichtsilikaten als Füllstoff auf diverse resultierende (Komposit/Polymer-) Eigenschaften gewonnen werden.
Durch die in dieser Arbeit verwendete Lösemittelroute konnten zunächst Polymer-Schichtsilikat-Dispersionen hergestellt werden, in denen das Schichtsilikat delaminiert vorlag. Diese Dispersionen können darauf aufbauend unter anderem mittels Sprüh-, oder auch Rakelverfahren weiterverarbeitet werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein kombiniertes Herstellungsverfahren aus Electrospinning und Filtration erarbeitet, um die Herstellungsdauer von Barrierematerialien zu senken und die Trocknungseffizienz zu steigern. Durch das Erstellen einer Sandwichstruktur und dem anschließenden Heißverpressen ist es hierbei gelungen transparente Nanokomposit-Membrane mit verbesserten Mechanik- und Barriereeigenschaften herzustellen.
Wie bereits erwähnt, stellt das Sprühverfahren eine weitere Applikationsmöglichkeit dar. Dies wurde angewandt, um in einem anderen Projekt eine Biopolymer-Schichtsilikat-Nanokomposit-Barrierebeschichtung herzustellen. Gerade im Bereich der Lebensmittelverpackungen spielt die Gasbarriere, bezüglich Lebensmittelhaltbarkeit, eine tragende Rolle. Biokunststoffe, welche als potenzielle, umweltfreundliche Alternativen zu den kommerziellen, petrobasierten Verpackungsmaterialien gelten, zeigen jedoch oftmals nicht die gewünschten Eigenschaften. In dieser Arbeit ist es gelungen, eine wasserbasierte und dünne Biopolymer-Nanokomposit-Beschichtung herzustellen, welche das Substratbiopolymer aufgrund der entstehenden Barriereeigenschaften und optischen Eigenschaften, der Flexibilität und des Antikolonisationspotentials zu einer kompetitiven, zukunftsträchtigen Alternative werden lässt.
Doch nicht nur im Bereich der Lebensmittelverpackungen spielen Barriereeigenschaften eine mit entscheidende Rolle. Hochdiffusive Gase, wie Wasserstoff (H2) oder auch Helium (He), sind gerade in der Luft- und Raumfahrttechnik von Bedeutung. So konnte ein wasserbasierter Liner mit Hochbarriereeigenschaften gegenüber H2 und He entwickelt werden, welcher als Barrierebeschichtung im Bereich von lighter-than-air-Fahrzeugen oder der Raumfahrt Anwendung finden kann. Neben Merkmalen wie Flexibilität und kompetitiven Barriereeigenschaften, welche die Barrieren von Hochleistungspolymeren übertreffen, überzeugt dieses System vor allem durch das geringe Auftragsgewicht, was gerade bei Leichtbauanwendungen von enormer Relevanz ist.
In vielen Anwendungsbereichen ist es zudem erforderlich, dass die genannten Barriereeigenschaften auch bei höherer Luftfeuchtigkeit gewährleistet sind. Hierfür werden oftmals Copolymere mit variierenden hydrophoben Anteilen verwendet, um das Quellverhalten und damit die Barriereeigenschaften zu kontrollieren. Auch Füllstoffe können dieses Quellverhalten verändern. Im Zuge dieser Arbeit ist es gelungen ein perfekt strukturiertes Polymer-Hybrid herzustellen, welches als Modellsystem diente, um einen detaillierten Zusammenhang zwischen dem Füllstoffanteil, der Abhängigkeit der Barriereeigenschaften von der Luftfeuchtigkeit und dem Einfluss des, durch hohe Füllstoffanteile, entstehenden Confinements, herauszuarbeiten.
Doch nicht nur die Impermeabilität der Schichtsilikate hat einen positiven Einfluss auf die Barriereeigenschaften. Kristalline Bereiche in Polymeren gelten ebenfalls als undurchlässig für Gase und Wasserdampf. So konnte anhand eines wasserbasierten Polymers das Wechselspiel des Nukleations- und Confinement-Effekts basierend auf dem Füllstoffgehalt an Schichtsilikat herausgearbeitet werden. Durch Variation des Füllstoffgehaltes war es möglich Nanokomposite mit variierender Kristallinität herzustellen.
Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine kumulative Dissertation. Daher werden die Ergebnisse, thematisch sortiert, in den angehängten Publikationen beschrieben.