Structure induced changes of the optical properties of metallo-supramolecular polyelectrolytes incorporated into a polymer matrix
Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt wurde untersucht, ob metallo-supramolekularen Einheiten eingebettet in eine polymere Matrix als aktive thermo- und mechanochrome Einheiten genutzt werden können. Hierzu wurden verschiedene Liganden synthetisiert, die diskrete Komplexe und makromolekulare Assemblagen bilden. Durch Umsetzungen mit Metallionen erfolgte die Herstellung der metallo-supramolekularen Einheiten, die nachfolgend in eine polymere Matrix eingebettet wurden. Alle neuen Verbindungen wurden spektroskopisch charakterisiert. Es wurden zunächst Methoden entwickelt, Prüfkörper herzustellen, die eine homogene Zusammensetzung, eine einheitliche Dicke sowie geringe Streuung aufweisen. Nur einheitliche Prüfkörper eignen sich für die Charakterisierung mittels UV-Vis Spektroskopie, um den thermo- und mechanochromen Effekt nachzuweisen. Verschiedene Polymere wie Polyurethan, Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, und Polydimethylsiloxan, sowie Blockcopolymere aus 2-Methyl-2-oxazolin und Tetrahydrofuran wurden untersucht, ob sie geeignet sind zur Einbettung der metallo-supramolekularen Einheiten. Die Integration der Komplexverbindungen erfolgte dabei physikalisch oder mittels kovalenter Anbindung. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der Komposite wurden temperaturabhängig und unter Zugbelastung sowie partiell mittels spektroskopischer und Röntgen-Absorptionsspektroskopie (XANES) charakterisiert. Abhängig von der polymeren Matrix zeigen die Materialien einen reversiblen, teil-reversiblen oder keinen thermochromen Effekt. XANES Messungen belegen die Vergrößerung des Fe-N Abstandes in Abhängigkeit der Temperatur und unterstützen damit die Ergebnisse aus den spektroskopischen Untersuchungen, die begleitend eine Farbänderung zeigen. Die Röntgenabsorptionsmessungen deuten darauf hin, dass dieser Effekt ebenso unter Zugbelastung auftritt. Folgende Schwierigkeiten traten bei den Zugversuchen auf. Zum einen degenerieren die Proben durch die Röntgenstrahlung und zerreißen dann unter mechanischer Belastung, zum anderen bildeten sich zum Teil inhomogene Komposite. Schließlich verringerte die Einbettung in das Polymer auch bei geringer Konzentration die Dehnungsfähigkeit deutlich, so dass die Proben schon bei geringer Zugbelastung rissen. Es wurden zwei Ansätze entwickelt, um die Kettenlänge der metallo-supramolekularen Polyelektrolyte einzustellen. Es ist davon auszugehen, dass die Kettenlänge die Eigenschaften des Komposites beeinflusst, wie z.B. die Dehnungsfähigkeit und die optische Dichte als auch die mechano- und thermochromen Eigenschaften. Die automatisierte Titration von Metallionen zu einer Ligandlösung erlaubt die präzise Einstellung der Stöchiometrie und damit der Kettenlänge in Abhängigkeit der Konzentration. Durch Kettenstopper kann die Kettenlänge zudem konzentrationsunabhängig in einem breiten Bereich eingestellt werden. Grundsätzlich zeigen die Untersuchungen, dass metallo-supramolekulare Einheiten eingebettet in eine entsprechende polymere Matrix thermo- und mechanochrome Eigenschaften aufweisen. Um diese Effekte im Detail untersuchen zu können, müssen die Eigenschaften der Komponenten aufeinander abgestimmt sein, so dass die Komposite transparent, homogen und dehnfähig bleiben.
Publications
- RSC Adv., 2016, 6, 15441
S. M. Munzert, G. Schwarz, D. G. Kurth
(See online at https://doi.org/10.1039/c5ra26907e) - Chem. Eur.J., 2018, 24, 2898
S. M. Munzert et al.
(See online at https://doi.org/10.1002/chem.201701417)
