Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4321
Main Title: Swelling, shrinking ability of adsorbed PNIPAM microgels
Subtitle: Hydrophobicity, solvent quality and surface coating
Translated Title: Quell-, Schrumpfvermögen von adsorbierten PNIPAM Mikrogelen
Translated Subtitle: Hydrophobizität, Lösemittelqualität und Oberflächenbesichtung
Author(s): Richter, Marcel
Referee(s): Böker, Alexander
Klitzing, Regine von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Doktorarbeit untersucht das Verhalten von PNIPAM Mikrogelen auf an festen Oberflächen. Diese Gele besitzen eine Volumenphasenübergangstemperatur (VPTT) von 32°C. Unterhalb dieser Temperatur befinden sich die Gele durch die Ausbildung von H-Bindungen zwischen Polymer und Lösemittel im gequollenen Zustand. Oberhalb der VPTT werden diese H-Bindungen gebrochen und intramolekulare Bindungen werden geknüpft, was zum Kollabieren des Polymernetzwerkes führt. Das Kollabieren des Netzwerkes kann nicht nur durch Temperaturänderungen bewirkt werden, sondern auch durch Änderungen des pH-Wertes, der Lösemittelqualität oder Ionenstärke. Der so induzierte Phasenübergang diese Mikrogele machen diese besonders interessant für Anwendungen wie Medikamententräger, Sensoren und Kontaktlinsen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das Verhalten der Gele in Bezug auf deren innere Zusammensetzung untersucht. Des Weiteren ist das Quellverhalten der Gele in unterschiedlichen Lösemitteln sowie die Wechselwirkung mit verschiedenen Oberflächenbedeckungen untersucht worden. Dabei wurde festgestellt, dass die Verwendung eines hydrophoberen Co-Monomers, verglichen mit einem hydrophileren Co-Monomer, zu einer Erhöhung der Partikelhärte führt. Dies wurde auf eine verstärkte Wechselwirkung zwischen den Polymersegmenten zurückgeführt. Die Veränderung der Lösemittelqualität zeigte erstaunliche Ergebnisse. Das Minimum der Größe der Mikrogele in der Volumenphase befindet sich bei 20% organischem Lösemittel und verschiebt sich auf 40-50% für adsorbierte Partikel. Dies wurde mit einem erhöhten Wasseranteil im Inneren des Partikels erklärt. Folglich ist ein höherer Gehalt an organischem Lösemittel nötig um den Partikelkollapse zu initialisieren. Das Quell- und Schrumpfverhalten der Partikel kann nicht nur durch die Veränderung der Lösemittelqualität bewirkt werden sondern auch durch die Modifikation der Oberfläche. Dazu wurden Oberflächen mit verschiedenen Polyelektrolyten unterschiedlichster Filmdicken beschichtet. Nach dem Auftragen der Partikel mittels Spin Coating wurde das Verhalten während mehrer Heiz/ Kühlzyklen untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass das Verhalten der Partikel im Wesentlichen von der Art des verwendeten Polyelektrolyts und der Dicke des Polyelektrolytfilms abhängt. Der zweite Teil der Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem AK Santer (Universität Potsdam) und dem AK Haag (Freie Universität Berlin) durchgeführt. Die Kooperation mit dem AK Santer umfasst das Verhalten von negativ geladenen Mikrogelen in Abhängigkeit von positiv geladenen schaltbaren Tensiden. Es konnte gezeigt werden, dass die Größe der Mikrogele mit steigender Tensidkonzentration abnimmt, was durch die Kompensierung der Ladung im Mikrogel erklärt wurde. Des Weiteren könnte gezeigt werden, dass durch Schalten der Tenside zwischen deren cis- und trans-Konformation durch UV/VIS ein Kollabieren und Quellen der Mikrogele erreicht wurde. In Zusammenarbeit mit dem AK Haag wurde der Abbau eines Polyglycerolmikrogels mittels AFM gezeigt. Der Abbau dieser säurelabilen Partikel findet hauptsächlich in vertikaler Richtung statt und kann also Retrosyntheseschritt verstanden werden.
In this thesis the behaviour of PNIPAM microgels onto solid surfaces is investigated. Such gels exhibit a volume phase transition temperature (VPTT) of about 32°C. Below this temperature, these gels are in the swollen state due to the formation of H-bonds between the polymer and solvent. Above this temperature, the H-bonds break and hydrophobic bonds dominate leading to a particle collapse. Such particle collapse cannot be induced by changes in temperature but also by changes in pH, solvent quality and ionic strength. Microgels with such phase transition behaviour raise much attention in applications like drug delivery, sensors and contact lenses. The first part of this thesis deals with the particle behaviour regarding the microgel composition. Furthermore, the swelling ability of the gels in different organic solvents as well as the interaction onto different surface coatings has been investigated. It is shown that microgels containing less hydrophilic co-monomer are much stiffer compared to their counterparts containing hydrophilic co-monomer. This was explained by the formation of extra hydrophobic interaction between the polymer segments. The change in solvent quality shows interesting features. In bulk, the size minimum of the microgels is located at organic solvent content of 20% and shifts to 40-50% for adsorbed microgels. This was explained by higher water content within the microgels. Hence, a higher content of organic solvent is needed to initiate the microgel collapse. The swelling/deswelling behaviour of the microgels cannot be induced by the change in the solvent quality but also by the modification of the surface coating. A solid surface has been coated with different polyelectrolytes. Furthermore, the film thickness of the polyelectrolyte layers was changed. After the microgels have been spin coated, the behaviour of the microgels has been studied during several heating/cooling cycles. The behaviour of the microgels depends mainly on the used polyelectrolyte and the film thickness. The second part of the thesis has been performed in cooperation with the Santer group (University Potsdam) and the Haag group (Freie University Berlin). The cooperation with the Santer group covered the behaviour of negatively charged microgels and positively charged switchable surfactants. The microgel size depends strongly on the surfactant concentration. The microgels shrink with increasing surfactant concentration due to charge compensation. Furthermore, microgel/surfactant complex show a reversible shrinking/deswelling behaviour by irradiation of UV/VIS due to the change of the surfactant conformation between cis- and trans-state. The cooperation with the Haag group covered the degradation of polyglycerol microgels via AFM. The degradation of these acid labile microgels takes places mainly in vertical dimension and can be understood as “decross-linking” step into the starting macromonomers.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-61215
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4618
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4321
Exam Date: 19-Dec-2014
Issue Date: 2-Feb-2015
Date Available: 2-Feb-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Mikrogel
thermo-sensitiv
Microgel
thermo-responsive
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