Dokument: Nanopartikel-Komposite aus Titandioxid-Nanopartikeln und schwefelhaltigen Polyimiden für optische Anwendungen

Titel:	Nanopartikel-Komposite aus Titandioxid-Nanopartikeln und schwefelhaltigen Polyimiden für optische Anwendungen
Weiterer Titel:	Nanoparticle composits from titanium dioxide nanoparticles and sulphur containing polyimides for optical applications
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=11556
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20090702-152046-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Mrsevic, Miroslav [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,10 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.06.2009 / geändert 18.06.2009
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	In der Industrie für optische Endanwendergeräte, wie beispielsweise Digitalkameras und Mobiltelefone mit integrierten Kameras, steigt der Bedarf an kostengünstigen, leicht verarbeitbaren Kunststoffen mit sehr guten optischen Eigenschaften. Mit diesen Kunststoffen sollen herkömmliche Gläser in Optiken ersetzt werden, um Kosten sowie den Aufwand der Verarbeitung in der Herstellung zu senken. Diese Kunststoffe sollten neben hohen Brechungsindizes und einer niedrigen optischen Dispersion eine hohe Transparenz sowie Farblosigkeit aufweisen. Des Weiteren sollten diese optischen Kunststoffe möglichst unempfindlich gegen äußere Einflüsse wie Luftfeuchtigkeit oder hohe Temperaturen sein. In der Literatur werden verschiedene Klassen von Kunststoffen hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften beschrieben. Neben klassischen Kunststoffen wie PMMA und Polycarbonat werden vorwiegend schwefelhaltige Kunststoffe aufgrund ihrer hohen Brechzahlen untersucht. Über Polyimide liegen hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften nur bedingt Daten vor. Um die Klasse der Polyimide bezüglich ihrer Eignung als potentielles Linsenmaterial zu untersuchen, wurden verschiedene Polyimide und Copolyimide synthetisiert und aus diesen Polymeren in Verbindung mit Titandioxid-Nanopartikeln entsprechende Nanopartikel-Komposite hergestellt. Innerhalb dieser Arbeit wurden lösliche, schwefelhaltige Polyimide und Copolyimide hergestellt. Dabei handelt es sich um 6FDA-4,4'-SDA/DABA m:n und 6FDA-3,3'-DDS/DABA m:n Polyimide und Copolyimide mit den Verhältnissen m:n = 1:0, 19:1, 9:1, 4:1. Des Weiteren wurden Nanopartikel-Komposite aus den synthetisierten Copolyimiden und 50x20 nm großen TiO2-Nanopartikeln (Rutil-Modifikation) hergestellt. Die chemische Charakterisierung der Copolyimide wurde mittels 1H-NMR und FTIR-Spektroskopie durchgeführt. Weiterhin wurden die mittleren Molekulargewichte aller Polyimide und Copolyimide mittels Gelpermeationschromatografie bestimmt, ihre Glasübergangstemperaturen wurden durch Differentielle Kalorimetrie ermittelt. Der erwartete DABA-Gehalt der synthetisierten Copolyimide konnte durch Kombination der Ergebnisse aus den GPC-, NMR -und FTIR-Messungen verifiziert werden. Die Einmischung der Nanopartikel in die Copolyimide konnte mittels REM-Aufnahmen, TGA-Messungen und FTIR-Spektren nachgewiesen werden. Die REM-Aufnahmen von Filmquerschnitten zeigen dispergierte Nanopartikel im Polymermaterial. Mittels TGA-Messungen konnte der Nanopartikelgehalt der Nanopartikel-Komposite näherungsweise bestimmt werden. Diese ergeben für 6FDA-4,4'-SDA/DABA m:n Copolyimide einen Gehalt an TiO2 von 2,6-5,3 Gew. %. Bei den 6FDA-3,3'-DDS/DABA Copolyimiden beträgt der Gehalt an TiO2 0,5-1,9 Gew. %. In den FTIR-Spektren der Nanopartikel-Komposite konnte eine Wechselwirkung zwischen der Carboxylgruppe des DABA und den TiO2-Nanopartikeln beobachtet werden, welche auf eine Adsorption der Carboxylgruppen der Copolyimide an der TiO2-Nanopartikeloberfläche schließen lässt. Die optischen Eigenschaften der Copolyimide und Nanopartikel-Komposite wurden mittels UV/VIS Spektroskopie und Ellipsometrie bestimmt. Ferner wurde die Wasserdampfsorption der Copolyimide und Nanopartikel-Komposite ermittelt. Die UV/VIS-Spektren der 6FDA-4,4'-SDA/DABA m:n Copolyimide zeigen Cut-off-Wellenlängen von durchschnittlich 430 nm. Die 6FDA-3,3'-DDS/DABA Copolyimide weisen etwas geringere Cut-off-Wellenlängen von durchschnittlich 390 nm auf. Alle Copolyimide zeigen gute Transparenzen von 85 bis 90 %. Die 6FDA-3,3'-DDS/DABA Copolyimide sind farblos, wohingegen die 6FDA-4,4'-SDA/DABA Copolyimide eine gelbliche Färbung aufweisen. Die Nanopartikel-Komposite zeigen hinsichtlich der Farbigkeit und Transparenz keine messbaren Unterschiede zu den Copolyimiden ohne TiO2-Nanopartikel. Die Brechungsindizes aller Copolyimide und Nanopartikel-Komposite liegen über 1,6, die Abbé-Zahlen betragen 22-39. Grundsätzlich weisen die Nanopartikel-Komposite größere Brechungsindizes und Abbé-Zahlen auf als die reinen Copolyimide. Herausragend sind die Werte des 6FDA-4,4'-SDA/DABA 4:1 Nanopartikel-Komposits mit einem Brechungsindex von 1,66 und einer Abbé-Zahl von 39. Die Wasserdampfsorptionen der Copolyimide und Nanopartikel-Komposite liegen im Bereich von 0,03-0,25 Gew. %, so dass sie mit kommerziellen optischen Kunststoffen mit den niedrigsten Wasserdampfsorptionen konkurrieren können. The industry of optical consumer-electronics, for example digital cameras and mobile phones with integrated cameras demand novel, cost-sensitive polymeric materials with excellent optical properties and good processability in order to substitute conventional glass in the lens-production. These polymers should have a high refractive index, a low optical dispersion and a high transparency in the visible light spectrum. Secondary, the optical plastics should be impassible to environmental factors like high temperatures or moisture. To evaluate the polymeric class of polyimides concerning their suitability for the fabrication of optical lenses, several polyimides and copolyimides have been synthesized and TiO2-nanoparticle-composits have been made thereof. Literature describes the optical properties of several classes of polymers Besides of the common optical plastics, for example PMMA and polycarbonate, preferrably polymers with a high sulphur content are investigated because of their high refractive indices. Only few reports about the optical properties of polyimides are available so far. Within this work, soluble, sulphur-containing polyimides and copolyimides with the molecular structures 6FDA-4,4'-SDA/DABA m:n and 6FDA-3,3'-DDS/DABA m:n with diamine ratios of m:n = 1:0, 19:1, 9:1 and 4:1 have been synthesized. Nanoparticle-composits with rutile type 50x20 nm TiO2-nanoparticles have been made thereof. The chemical characterisation of the copolyimides has been performed via 1H-NMR and FTIR spectroscopy. Furthermore average molecular weights and the glass transition temperatures of the polymers have been determined via GPC and DSC. The anticipated DABA content of the synthesized copolyimides could be verified by a combination of GPC, NMR and FTIR measurements. The implementation of nanoparticles has been satisfactorily shown by SEM-images, TGA-measurements and FTIR-spectroscopy. Cross-section SEM images of nanoparticle-composite films showed finely dispersed nanoparticles. TGA measurements approximately determined the content of TiO2 in nanoparticle-composites. The TiO2 content in nanoparticle-composites made of 6FDA-4,4'-SDA/DABA copolyimides is 2.6-5.3 mass percent high. Nanoparticle-composites made of 6FDA-3,3'-DDS/DABA copolyimides show a TiO2 content of 0.5-1.9 mass percent. FTIR spectra gave evidence of an interaction between the nanoparticles and the carboxyl groups of all polymers in the nanoparticle-composites. This can be interpreted as an index of an adsorption of the carboxyl groups to the nanoparticle surface. The optical properties of copolyimides and nanoparticle-composites have been measured via UV/VIS spectroscopy and ellipsometry. Additionally, water sorption experiments have been made. 6FDA-4,4'-SDA/DABA copolyimides show cut-off wavelengths in the average of 430 nm, 6FDA-3,3'-DDS/DABA copolyimides show slightly lower cut-off wavelengths of around 390 nm. While the 6FDA-4,4'-SDA/DABA copolyimides are light yellow, all 6FDA-3,3'-DDS/DABA copolyimides are colourless. All copolyimides show good transparencies in the average about 85-90 %. There is no measurable difference between the nanoparticle-composites and the copolyimides concerning their transparency and colour. The refractive indices of all copolyimides and nanoparticle-composites are higher than 1.6, the Abbé numbers are between 22 and 39. In general, the nanoparticle-composites obtain higher refractive indices and Abbé numbers than the pure copolyimides. The optical properties of the 6FDA-4,4'-SDA/DABA 4:1 nanoparticle-composite are extraordinary high, showing a refractive index of 1,66 and an Abbé number of 39. The water sorption of the copolyimides and the nanoparticle-composites is very low, averaging 0.03-0.25 mass percent. With that low water sorption, these copolyimides and the nanoparticle composites made thereof can compete with commercially available plastics which can be used for optical applications, obtaining the lowest water sorption.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	02.07.2009
Dateien geändert am:	18.06.2009
Promotionsantrag am:	30.04.2009
Datum der Promotion:	19.05.2009