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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-96760
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9676/


Lösemittelfreie Herstellung von porösen Polymermembranen durch Schäumen von Blockcopolymeren mit physikalischen Treibmitteln

Solvent-free Fabrication of porous polymeric membranes via foaming of block copolymers with pyhisical blowing agents

Schulze, Maria

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SWD-Schlagwörter: Schaum , Membran
Freie Schlagwörter (Deutsch): Blockcopolymer , lösemittelfrei
Freie Schlagwörter (Englisch): Foam , Membrane , Block copolymer , solvent-free
Basisklassifikation: 35.80
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Abetz, Volker (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.01.2019
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 11.04.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren für poröse Polymermembranen vergrößert stetig deren mögliche Einsatzbereiche. Besonders lösemittelfrei hergestellte Membranen eignen sich für die Anwendung in strikt regulierten Bereichen wie Medizintechnik oder Lebensmittelindustrie. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung einer neuen Methode für die Herstellung lösemittelfreier poröser Membranen durch physikalisches Schäumen von mikrophasenseparierten Diblockcopolymeren mit einer Zylindermorphologie unter Einsatz der Treibmittel Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser. Aufgabe der eingesetzten Treibmittel ist es, amphiphile Blockcopolymere durch unterschiedliche Sorption in den jeweiligen Polymerblöcken aufzuschäumen. Dafür wurden zuerst Polymerschäume aus Polystyrol-block-Poly(4-vinylpyridin) (PS-b-P4VP)-Blockcopolymeren mit unter-schiedlichen Molekulargewichten bei verschiedenen Schäumtemperaturen aus-schließlich mit CO2 hergestellt. In einem zweiten Schritt wurden ein PS-b-P4VP- und ein Poly(4-methylstyrol)-b-Poly(4-vinylpyridin) (P4mS-b-P4VP)-Blockcopolymer unter Verwendung von CO2 und Wasser geschäumt. Für die Auswertung wurden mithilfe von Sorptionsmessungen und differenziellen wärmeflusskalori-metrischen Messungen die thermischen Eigenschaften der ungeschäumten, reinen oder mit CO2 und/oder Wasser gesättigten, Blockcopolymere bestimmt. Durch rheologische Messungen wurde das viskoelastische Verhalten unter Scher- und Dehnbeanspruchung charakterisiert. Die hergestellten Polymerschäume wurden hinsichtlich ihrer Schaumstruktur, Zellgröße und Zelldichte raster-elektronenmikroskopisch untersucht. Die niedrigsten Dichten und gleichmäßigsten Schaumstrukturen erreichten PS-b-P4VP-Blockcopolymere mit Molekular-gewichten über 160 kg mol 1, geschäumt mit CO2 bei 110 °C. Die Kombination der beiden Treibmittel CO2 und Wasser generierte offenzellige Strukturen im gesamten PS-b-P4VP-Blockcopolymer und teilweise im P4mS-b-P4VP-Blockcopolymer. CO2 wurde sowohl im PS-Block als auch im P4VP-Block adsorbiert, wogegen das Wasser nahezu ausschließlich in den P4VP-Mikrodomänen adsorbiert wurde. Die aus diesen Versuchen erzielten Erkenntnisse wurden für die Prozessentwicklung zur Herstellung poröser, polymerer Membranen herangezogen und abschließend erfolgreich an dünnen Filmen aus einem PS-b-P4VP-Blockcopolymer validiert.
Kurzfassung auf Englisch: The development of new fabrication methods for porous, polymer membranes increases their possible application areas steadily. Especially solvent-free fabricated membranes are suited for strictly regulated areas such as medical technology or food industry. Aim of the present thesis is the development of a new method to fabricate solvent-free and porous membranes via physical foaming of microphase separated diblock copolymers with a cylindrical morphology using the blowing agents carbon dioxide (CO2) and water. The use of the applied blowing agents causes foaming of amphiphilic diblock copolymers caused by different sorption in the respective polymer blocks. Therefore, polymer foams of polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) diblock copolymers with different molecular weights were primarily generated using only CO2 with varying foaming temperatures. In a second step, one PS-b-P4VP and one poly(4 methylstyrene)-b-poly(4-vinylpyridine) (P4mS-b-P4VP) diblock copolymer with derivates of the matrix-forming PS were foamed with CO2 and water. For analysis, thermal properties of the non-foamed, pristine or saturated with CO2 and/or water, diblock copolymer were determined and by means of sorption measurements and differential scanning calorimetry the influence of the blowing agents CO2 and water was determined. Rheological measurements characterized the viscoelastic behavior in shear and elongation. The fabricated polymer foams were evaluated using scanning electron microscopy regarding foam morphology, cell size and cell density. The lowest densities and most homogeneous foam morphology were obtained with high molecular weight (number average above 160 kg mol-1) PS-b-P4VP block copolymers, foamed with CO2 at a foaming temperature of 110 °C. The combination of both blowing agents generated uniformly open structures in PS-b-P4VP block copolymers but only partially in P4mS-b-P4VP block copolymers. CO2 was adsorbed both in the PS-block and in the P4VP-microdomains whereas water was solely adsorbed in the P4VP-microdomains. The obtained findings of the experiments were used for the process development to fabricate porous polymer membranes and successfully validated on thin PS-b-P4VP diblock copolymer films.

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