PT Unknown AU Gajda, A TI Temperatur-responsive Polymer-Membranen durch Integration von „Nanoheizkörpern“ PD 09 PY 2014 LA de AB Membranen haben seit Jahrzehnten einen wichtigen Platz in der Separationstechnologie erlangt. Die Forschung beschränkt sich nicht nur auf die Entwicklung neuer Membranmaterialien, sondern insbesondere auf die Modifizierung der Oberflächeneigenschaften, um bereits vorhandene Membranen zu verbessern und neue Anwendungsfelder zu erschließen. Die Forschung im Bereich der Nanowissenschaft ist dagegen relativ neu. Es beschäftigen sich inzwischen jedoch zahlreiche Forschungsgruppen sehr intensiv mit der Nanotechnologie, da die kleinen Partikel aufgrund ihrer Größe spezielle Eigenschaften aufweisen, welche den Zugang zu vollkommen neuen Technologien eröffnen und zur Verbesserung vieler Materialen in unterschiedlichen Bereichen beitragen. Die Kombination von magnetischen Nanopartikeln (NP) mit Membranen ist relativ neu und weitgehend unerforscht. Durch die Integrierung von Nanopartikeln in Polymermembranen können nicht nur die Membranen hinsichtlich ihrer Leistung und Lebensdauer verbessert, sondern auch neue Funktionalitäten durch die Synergien der Materialien generiert werden. In dieser Arbeit wurden im ersten Schritt superparamagnetische Fe3O4 NP auf der Oberfläche einer Polyethylenterephthalat-Kernspur-Membran (PET-KS-M; Porengröße: 120 nm, 151 nm, 630 nm, 1501 nm) immobilisiert. Die Spins dieser NP rotieren in einem hochfrequenten Wechselmagnetfeld und erzeugen dadurch Wärme. Im zweiten Schritt wurde auf diese NP Membran das temperatur-responsive Poly(N isopropylacrylamid) (PNIPAAm) aufgepropft. PNIPAAm ändert in Abhängigkeit der Temperatur seine Struktur, unter 32 °C hat es hydrophile Ketten und über 32 °C kollabiert die Struktur und weist einen hydrophoben Charakter auf. Mit dieser Hybridmembran bestehend aus NP und PNIPAAm gelang es durch ein hochfrequentes Magnetfeld die Membranporengröße von außen lokal zu steuern. Die Fe3O4 NP sind mit einer Schicht Ölsäure, sowie einer Außenschale eines amphiphilen Polymers funktionalisiert und weisen dadurch reaktive Carboxylgruppen auf der Oberfläche auf. Um diese NP kovalent an die PET-KS-M Membran zu binden, wurde die Membran vor der NP Immobilisierung aminiert. Dadurch konnte eine Peptidbindung zwischen NP und Membran generiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass erst durch die Zugabe von NaCl zur NP Dispersion die Immobilisierung in den Membranporen ermöglicht wurde, da die NP zuvor nicht in die Poren hinein diffundiert sind. Untersuchungen zeigten, dass eine erfolgreiche NP Immobilisierung auf die äußere und innere Membranoberfläche von der NaCl Konzentration und der NP Größe (15 nm, 25 nm, 40 nm) abhängt. Weiterhin erwiesen sich die NP als stabil auf die Membran immobilisiert. Diese bedeckten die Membranoberfläche nach dem ersten Immobilisierungsschritt in einer dichten, monolagigen Schicht. Um die NP Menge auf der Membran zu erhöhen und somit eine stärkere Gesamtwärmebildung auf der Membran zu erzeugen, wurden weitere NP Schichten durch Tetraethylenpentamin oder Polymerelektrolyt Zwischenschichten auf die erste NP Schicht immobilisiert. Die Oberflächenfunktionalisierung der Membran mit PNIPAAm wurde durch photo-initiiertes „grafting from“ durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden die Polymerketten von der Membranoberfläche initiiert. Um Startradikale auf der Membranoberfläche durch UV Strahlung und weiterhin eine erfolgreiche PNIPAAm Funktionalisierung mit einer guten Schaltbarkeit der Poren zu erzeugen, wurde auf die NP Membranen ein anderer Photiinitiator als auf die Basisembran ohne NP adsorbiert. Der für die NP Membranen eingesetzte kationische Makroinitiator wurde gut auf der Membranoberfläche adsorbiert und stellte sich als guter Startradikalbildner durch die auftreffenden UV-Strahlung heraus. Bei Verwendung kleinerer Initiatormoleküle wurde die Strahlung durch die braunen NP adsorbiert und somit die Strahlungsenergie soweit geschwächt, dass keine Radikale erzeugt werden konnten. Die 40 nm NP zeigten eine stärkere Wärmebildung bei gleichen Magnetfeldeinstellungen, als die 15 nm und 25 nm NP. Außerdem wurde bei der Untersuchung des Wärmebildungseffektes der NP eine unspezifische Erwärmung von Wasser festgestellt. Diese trägt jedoch zur Gesamterwärmung der Membran bei und ist in Zusammenhang mit der NP Wärmebildung als Vorteil für die äußere Steuerung der Porengröße der Hybridmembran anzusehen. Die Erwärmung von Wasser erwies sich als stromabhängig und die Wärmeerzeugung durch die NP als frequenzabhängig. Je höher die eingestellte Stromstärke des Magnetfeldes ist, desto stärker die Wassererwärmung. Analog gilt für die NP, dass die Wärmebildung mit steigender Frequenz stärker ist. Die Hybridmembranen, deren Oberfläche mit einer Monoschicht von 40 nm großen NP bedeckt ist, erwiesen sich durch ein hochfrequentes Magnetfeld als von außen schaltbar. Dabei konkurriert die Erwärmung des Systems mit der konvektiven Kühlung durch das Einströmen des kalten Feeds in die Membranporen. Durch die konvektive Kühlung konnte ein kleinerer Schalteffekt der NP Membran als durch direkte Erwärmung des Feeds erzielt werden. Um den Effekt der konvektiven Kühlung in Relation zu der Systemerwärmung zu reduzieren, sollten mehr und eventuell größere NP auf die Membran immobilisiert und höhere Frequenzen des Magnetfeldes eingestellt werden. In dieser Arbeit konnte die Herstellung von schaltbaren NP Polymerhybridmembranen erfolgreich realisiert werden. Weiterhin konnte die Kontrolle der Membranporengröße durch ein hochfrequentes magnetisches Feld und die temperatur-responsiven Eigenschaften des Polymers PNIPAAm deutlich demonstriert werden. ER