TY - BOOK

T1 - Sorptionsinduzierte Verformung hierarchisch poröser Materialien

AU - Morak, Roland

N1 - nicht gesperrt

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Für diese Arbeit wurde zur Untersuchung der sorptionsinduzierten Verformung Silika mit hexagonal angeordneten Mesoporen verwendet. Die Porenbündel bilden darin Streben, die sich tetragonal bis Sternförmig in Knotenpunkten anordnen und dadurch ein Netzwerk bildet, das zu einem mechanisch stabilen Monolithen führt. Die Freiräume zwischen den Streben bilden dabei die Makroporen und in den Mesoporenwänden befinden sich Mikroporen. Ziel dieser Arbeit ist das Verständnis der sorptionsinduzierten Verformung in hierarchisch porösen Materialien zu erweitern und die Wechselwirkung der Poren unterschiedlicher Größenordnung, sowie den Einfluss der Poren verschiedener hierarchischer Ebenen, auf die Verformung zu untersuchen. Dafür wurden vier verschiedene Proben verwendet: 1. Proben mit hierarchischer Porosität inklusive organischer Reste an den Mesoporenwänden und in den Mikroporen (Probe A), 2. Proben mit hierarchischer Porosität mit frei zugänglichen Mikroporen, ohne organischer Reste (Probe C) und 3. Proben die Makroporen und Mesoporen jedoch keine bzw. kaum Mikroporen aufweisen (Probe S). Die vierte Probenvariante weist eine Vorzugsorientierung der Streben entlang der axialen Richtung des Monolithen auf (Probe AA) und ermöglicht somit die Klärung der Frage, ob sich die Sorptionsinduzierte Verformung auch in ihrer Richtung beeinflussen lässt. Die strukturelle Charakterisierung der Proben mittels Stickstoff- und Wassersorption, sowie Röntgenkleinwinkelstreuung bestätigt, dass sich organische Reste in den Mikropore und an den Mesoporen der Probe A befinden dürften, dass Probe S keine bzw. kaum noch Mikroporen aufweist. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung kann auch gezeigt werden, dass der Synthetisierungsprozess für Probe AA zu einer bevorzugten Richtung der Streben führt. Die Orientierung der Streben führt jedoch scheinbar nicht zu einer richtungsabhängigen Verformung des Silikamonolithen. Um den Einfluss der verschiedenen Porenhierarchien auf den sorptionsinduzierten Verformungsprozess ermitteln zu können, wurden in-situ Dilatometrie, in-situ SANS und zum Vergleich in-situ SAXS Experimente durchgeführt. Dazu war es nötig konstruktive Lösungen für eine simultane in-situ SANS und Dilatometrie Messung mit 0 Streulängendichte Wasser zu finden, als auch eine komplettes Sorptionsanlage zu bauen und in eine SAXS Laboranlage zu integrieren. Die Ergebnisse der in-situ Experimente zeigen, dass die sorptionsinduzierte Verformung quantitativ am stärksten durch die Mikroporen beeinflusst wird. Organische Reste in den Mikroporen können die Verformung noch zusätzlich steigern und höchstwahrscheinlich auch steuern. Der Vergleich der in-situ SANS und Dilatometrie Daten zeigt, dass die maximale Verformung, bei komplett gefüllten Mesoporen, für beide Methoden denselben Wert ergibt. Das bedeutet, dass die Verformung der Mesoporen, bei vollständiger Füllung, der makroskopischen Verformung des Silikamonolithen entspricht. Im Bereich der Kapillarkondensation, unterscheiden sich die Verformungsverhalten dieser unterschiedlichen hierarchischen Ebenen. Das Ergebnis bestätigt jüngst publizierte theoretische Ergebnisse. Es hat sich auch gezeigt, dass es möglich ist, aus den SANS Daten, die Sorptionsisotherme zu rekonstruieren und somit zu überprüfen bzw. auch zu ersetzen. Der Vergleich der in-situ SAXS Messungen mit den in-situ SANS und Dilatometrie Ergebnissen, lässt erkennen, dass die maximale Dehnung, berechnet aus den SAXS Daten, nicht dem Wert der beiden anderen Methoden entspricht. Der Grund dafür lässt sich auf Kontraständerungen während der Sorption zurückführen, die vom Adsorbat bei SAXS Messungen verursacht werden und die Dehnungsisotherme in Form so genannten Pseudodehnungen stark beeinflussen können. Der Vergleich der Daten der in-situ SANS mit den in-situ SAXS Messungen ermöglicht, das Verständnis bezüglich der auftretenden Pseudodehnungen zu verbessern.

AB - Für diese Arbeit wurde zur Untersuchung der sorptionsinduzierten Verformung Silika mit hexagonal angeordneten Mesoporen verwendet. Die Porenbündel bilden darin Streben, die sich tetragonal bis Sternförmig in Knotenpunkten anordnen und dadurch ein Netzwerk bildet, das zu einem mechanisch stabilen Monolithen führt. Die Freiräume zwischen den Streben bilden dabei die Makroporen und in den Mesoporenwänden befinden sich Mikroporen. Ziel dieser Arbeit ist das Verständnis der sorptionsinduzierten Verformung in hierarchisch porösen Materialien zu erweitern und die Wechselwirkung der Poren unterschiedlicher Größenordnung, sowie den Einfluss der Poren verschiedener hierarchischer Ebenen, auf die Verformung zu untersuchen. Dafür wurden vier verschiedene Proben verwendet: 1. Proben mit hierarchischer Porosität inklusive organischer Reste an den Mesoporenwänden und in den Mikroporen (Probe A), 2. Proben mit hierarchischer Porosität mit frei zugänglichen Mikroporen, ohne organischer Reste (Probe C) und 3. Proben die Makroporen und Mesoporen jedoch keine bzw. kaum Mikroporen aufweisen (Probe S). Die vierte Probenvariante weist eine Vorzugsorientierung der Streben entlang der axialen Richtung des Monolithen auf (Probe AA) und ermöglicht somit die Klärung der Frage, ob sich die Sorptionsinduzierte Verformung auch in ihrer Richtung beeinflussen lässt. Die strukturelle Charakterisierung der Proben mittels Stickstoff- und Wassersorption, sowie Röntgenkleinwinkelstreuung bestätigt, dass sich organische Reste in den Mikropore und an den Mesoporen der Probe A befinden dürften, dass Probe S keine bzw. kaum noch Mikroporen aufweist. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung kann auch gezeigt werden, dass der Synthetisierungsprozess für Probe AA zu einer bevorzugten Richtung der Streben führt. Die Orientierung der Streben führt jedoch scheinbar nicht zu einer richtungsabhängigen Verformung des Silikamonolithen. Um den Einfluss der verschiedenen Porenhierarchien auf den sorptionsinduzierten Verformungsprozess ermitteln zu können, wurden in-situ Dilatometrie, in-situ SANS und zum Vergleich in-situ SAXS Experimente durchgeführt. Dazu war es nötig konstruktive Lösungen für eine simultane in-situ SANS und Dilatometrie Messung mit 0 Streulängendichte Wasser zu finden, als auch eine komplettes Sorptionsanlage zu bauen und in eine SAXS Laboranlage zu integrieren. Die Ergebnisse der in-situ Experimente zeigen, dass die sorptionsinduzierte Verformung quantitativ am stärksten durch die Mikroporen beeinflusst wird. Organische Reste in den Mikroporen können die Verformung noch zusätzlich steigern und höchstwahrscheinlich auch steuern. Der Vergleich der in-situ SANS und Dilatometrie Daten zeigt, dass die maximale Verformung, bei komplett gefüllten Mesoporen, für beide Methoden denselben Wert ergibt. Das bedeutet, dass die Verformung der Mesoporen, bei vollständiger Füllung, der makroskopischen Verformung des Silikamonolithen entspricht. Im Bereich der Kapillarkondensation, unterscheiden sich die Verformungsverhalten dieser unterschiedlichen hierarchischen Ebenen. Das Ergebnis bestätigt jüngst publizierte theoretische Ergebnisse. Es hat sich auch gezeigt, dass es möglich ist, aus den SANS Daten, die Sorptionsisotherme zu rekonstruieren und somit zu überprüfen bzw. auch zu ersetzen. Der Vergleich der in-situ SAXS Messungen mit den in-situ SANS und Dilatometrie Ergebnissen, lässt erkennen, dass die maximale Dehnung, berechnet aus den SAXS Daten, nicht dem Wert der beiden anderen Methoden entspricht. Der Grund dafür lässt sich auf Kontraständerungen während der Sorption zurückführen, die vom Adsorbat bei SAXS Messungen verursacht werden und die Dehnungsisotherme in Form so genannten Pseudodehnungen stark beeinflussen können. Der Vergleich der Daten der in-situ SANS mit den in-situ SAXS Messungen ermöglicht, das Verständnis bezüglich der auftretenden Pseudodehnungen zu verbessern.

KW - hierarchisch poröse Materilien

KW - Sorption

KW - sorptionsinduzierte Verformung

KW - Kleinwinkelröntgenstreuung

KW - Kleinwinkelneutronenstreuung

KW - Dilatometrie

KW - hierarchical porous Materials

KW - sorption

KW - sorption induce deformation

KW - small angle X-ray scattering

KW - small angle neutron scattering

KW - dilatometry

M3 - Dissertation

ER -