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Exploiting Substituent Effects to Control the Mechanochromic Response of Spiropyran-containing Copolymers
No full textMechanochromic polymers respond to external force by changing their color. This can be achieved by the incorporation of a molecular switch such as spiropyran (SP) into polymers. SPs can be isomerized by mechanical force from their colorless form into colored merocyanines. Main chain copolymerization of spiropyrans allows investigation of their mechanochromic behavior and potential use as force sensors.
So far, several covalent polymer matrices have been used to investigate the mechanochromic response of SPs, among them poly(ε caprolactone) (PCL). Less investigated is how the mechanochromic response can be fine-tuned by substituent effects. First, PCL with differently substituted spiropyrans at the chain’s midpoint were used in order to investigate the effect of different substituents and their regiochemistry on the isomerization behavior of SPs under mechanical stress. A low activation barrier was observed for NO2 substitution of “ortho”-spiropyrans compared to no substitution (R = H).
In order to investigate phenyl-substituted “para,para” spiropyrans, a newly developed kinked polyarylene was employed as covalent matrix material. This new polyarylene (PmmpP) has a meta,meta,para connection in its backbone and exhibits excellent mechanical properties. Its high strength allows the isomerization of this molecular switch with a large activation barrier. The phenyl-substituted “para,para” spiropyran showed transient mechanochromism and was switched 25 times in force-and-release cycles. The synthesis of PmmpP was carried out by a Suzuki polycondensation in three steps from commercial starting materials.
To further capitalize on the simplicity and properties of PmmpP, a two step synthesis of a semifluorinated kinked polyarylene was demonstrated by direct arylation polycondensation with tetrafluorobenzene (F4). This partially fluorinated PmmpF4 was synthesized with a variety of side-chains. Resulting polymers exhibited a large range of glass transition temperatures, allowing for the production of tailor-made smart materials
Efficiency Improvement of RF Energy Transfer by a Modified Voltage Multiplier RF DC Converter
No full textRadio Frequency (RF) energy transfer is getting increasingly importance in new generations of wireless sensor networks and this trend is tremendously supported by the modern trends to Internet of things (IoT). This promising technology enables proactive energy replenishment for wireless devices. With RF energy, transmission long distances between the energy source and the receiver can be overbridged. The main challenge thereby is the power conversion efficiency from a low level RF input power to a Direct Current (DC) voltage which is able to supply the mobile system.
For this purpose, a novel approach for RF DC conversion is proposed. It consists of a modified voltage multiplier RF DC converter circuit by incorporating an inductor at the input of the circuit, which generates an induced voltage able to boost the output circuit and improve the conversion efficiency. Analytical analysis of the novel approach has been carried out to determine the optimal value of the inductor to maximize the output power. The experimental investigations show that the proposed solution is able to improve significantly both the output voltage and the power conversion efficiency, compared to the state of the art, and this especially at low input power ranges, which are often the case. At -10 dBm input power, the modified voltage multiplier RF DC converter circuit can reach 1.71 V output voltage and 49.21 % power conversion efficiency for, respectively, 500 kΩ and 10 kΩ resistive loads.
In order to validate the new proposal for the RF transfer system experimentally, microstrip meander line antennas and microstrip patch antenna arrays are designed for different ISM bands, where relevant requirements for RF energy transfer are respected. For each antenna a modified voltage multiplier RF DC converter circuit has been applied and the system is tuned to the corresponding resonant frequency to avoid mismatching. In this investigation several scenarios have been addressed, such as RF transmission energy, RF energy harvesting in Global System for Mobile (GSM) bands and Wireless Local Area Networks (WLAN) band are developed. Field test results show high performances of experimental results in comparison to the state of the art.:1 Introduction
2 Theoretical Background
3 State of the Art of RF Energy Transfer
4 Novel Approach for a RF DC Converter Circuit
5 Antennas Design
6 Experimental Verification at Specific Scenarios
7 ConclusionDie RF-Energieübertragung (RF) gewinnt in neuen Generationen von drahtlosen Sensornetzen zunehmend an Bedeutung. Dieser Trend wird durch das Internet der Dinge (IoT) weiter unterstützt. Diese vielversprechende Technologie ermöglicht eine proaktive Energieversorgung für drahtlose Geräte. Mit RF-Energie können große Entfernungen zwischen der Energiequelle und dem Empfänger überbrückt werden. Die größte Herausforderung dabei ist der Wirkungsgrad, mit dem von einer niedrigen HF-Eingangsleistung in eine Gleichspannung (DC), mit welcher das mobile System versorgt wird, gewandelt wird.
Zu diesem Zweck wird ein neuer Ansatz für einen RF-DC-Wandler vorgeschlagen. Er besteht aus einer modifizierten Spannungsvervielfacher-RF-DC-Wandlerschaltung, die eine Spule am Eingang der Schaltung integriert. Diese erzeugt eine induzierte Spannung, die in der Lage ist die Ausgangsschaltung zu verstärken und den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Analytische Untersuchungen zu diesem neuartigen Ansatz wurden durchgeführt, um den optimalen Wert der Spule zu bestimmen und die Ausgangsleistung zu maximieren.
Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die vorgeschlagene Lösung in der Lage ist, sowohl die Ausgangsspannung als auch den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich zu verbessern. Dies gilt besonders für niedrige Eingangsleistungsbereiche, welche häufig vorkommen. Bei -10 dBm Eingangsleistung kann die modifizierte Spannungsvervielfacher-RF-DC-Wandlerschaltung 1.71 V Ausgangsspannung und 49.21 % Leistungswandlungswirkungsgrad für jeweils 500 kΩ und 10 kΩ ohmsche Last erreichen.
Um das neue RF-Übertragungssystem experimentell zu validieren, werden Mikrostreifenmäanderlinienantennen und Mikrostreifen-Patch-Antennenarrays für verschiedene ISM-Bänder ausgelegt, wobei die relevanten Anforderungen an die RF-Energieübertragung eingehalten werden. Für jede Antenne wurde eine modifizierte Spannungsvervielfacher-HF-DC-Wandlerschaltung verwendet und das System auf die entsprechende Resonanzfrequenz abgestimmt, um Fehlanpassungen zu vermeiden. Dabei wurden mehrere Szenarien untersucht, wie z.B. RF-Energieübertragung, RF-Energiegewinnung aus GSM-Bändern und WLAN-Netzwerken. Die Feldtests zeigen eine hohe Leistungsfähigkeit der experimentellen Ergebnisse im Vergleich zum Stand der Technik.:1 Introduction
2 Theoretical Background
3 State of the Art of RF Energy Transfer
4 Novel Approach for a RF DC Converter Circuit
5 Antennas Design
6 Experimental Verification at Specific Scenarios
7 Conclusio
HoMaba - Holz im Maschinenbau
Get PDFVoraussetzung für den Einsatz von Holzwerkstoffen im Maschinenbau sind nachvollziehbare Berechnungskonzepte mit (semiprobabilistischen) Sicherheitskonzepten, die holzspezifische Materialcharakteristiken berücksichtigen und dem Maschinenbaukonstrukteur eine zuverlässige Auslegung von Bauteilen ermöglichen. Dafür ist es nötig, die Materialeigenschaften und deren Abhängigkeiten von äußeren Einflussfaktoren zu kennen, zu erfassen und in ein Sicherheitskonzept zu integrieren. Das Ziel ist die Ableitung eines globalen Sicherheitsfaktor als Funktion verschiedener Teilsicherheitsbeiwerte. Das sind wesentliche Kerninhalte und Ziele des von der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Projektes „Holz im Maschinenbau – Kennwertermittlung, Berechnung, Simulation“ (nachfolgend HoMaba genannt), die im vorliegenden Posterbeitrag vorgestellt werden
Kreislaufwirtschaft nach dem Cradle-to-Cradle-Vorbild: Wie kann ein geschlossener Ressourcenkreislauf erreicht werden?: Eine Untersuchung unternehmerischer Konzepte mit Beispielen aus der Praxis
Get PDFDas aktuell vorherrschende lineare Wirtschaftsprinzip ist für viele Umweltprobleme verantwortlich. Neben der immensen Umweltverschmutzung sorgt der stetig wachsende Ressourcenverbrauch für eine zunehmende Verknappung vieler wertvoller Rohstoffe. Ein intelligentes Kreislaufwirtschaftskonzept wie Cradle-to-Cradle kann diesen Problemen entgegenwirken. Für eine erfolgreiche Umsetzung von Cradle-to-Cradle werden unternehmerische Ansätze benötigt. Im Rahmen dieses Artikels werden vier Konzepte untersucht, die in einer Kreislaufwirtschaft implementiert werden können. Diese sind Design für Demontage, Produkt-Service-Systeme, Take-back Strategien und Reverse Logistics. Für jeden dieser vier Ansätze werden die Voraussetzungen sowie Barrieren hinsichtlich der Umsetzung innerhalb eines Kreislaufwirtschaftssystems aufgezeigt. Zudem wird dargelegt, dass sie im Cradle-to-Cradle-System realisierbar sind. Weiterhin werden reale Beispiele in Form von Unternehmen vorgestellt, die die verschiedenen Modelle bereits erfolgreich umgesetzt haben. Alle vier untersuchten Konzepte sind für ein Kreislaufwirtschaftssystem unter Beachtung der Cradle-to-Cradle-Kriterien geeignet.The currently prevailing linear economic principle is responsible for many environmental problems. In addition to the immense environmental pollution,
the constantly growing consumption of resources is causing an increasing shortage of many valuable raw materials. An intelligent circular economy
concept such as Cradle to Cradle can counteract these problems. Entrepreneurial approaches are needed for a successful implementation of
Cradle to Cradle. This article examines four concepts that can be implemented in a circular economy. These are design for disassembly, product
service systems, take-back strategies, and reverse logistics. For each of these four approaches, the prerequisites as well as barriers regarding the
implementation within a circular economy system are shown. In addition, it is shown that they can be implemented in a cradle-to-cradle system.
Furthermore, real examples are presented as companies that have already successfully implemented the various models. All four concepts examined are
suitable for a circular economy system in compliance with the Cradle to Cradle criteria
Selbstanordnung von Saturnpartikeln
No full textIn dieser Arbeit werden verschiedene Verfahren vorgestellt, um Saturnpartikel herzustellen. Es wird die Selbstanordnung von erfolgreich hergestellten Saturnpartikeln untersucht.
Im ersten Teil werden durch ein äquatoriales Ätzverfahren Saturnpartikel mit hydrophoben Kappen sowie einem hydrophilen Gürtel aus hydrophob beschichteten sphärischen Partikeln hergestellt. Mit einer Monolage dieser Saturnpartikel können Membranen aus Wasser (sogenannte Pickering-Membranen) stabilisiert werden. Die Pickering-Membranen sind über einen Zeitraum von mehreren Tagen stabil und lassen Permeabilitätsuntersuchungen zu. Diese Pickering-Membranen können als ein Spezialfall einer Supported Liquid Membrane angesehen werden. Es werden die Permeabilitätsunterschiede von Kohlenstoffdioxid gegen Luft sowie Luft gegen Schwefelhexafluorid betrachtet. Die resultierenden Werte stimmen in zufriedenstellender Weise mit theoretisch – nach dem für Supported Liquid Membranes gängigen Löslichkeits-Diffusionsmodell – berechneten Werten überein.
Im zweiten Teil werden Partikel über Float-casting in Membranen eingebettet und dadurch rundherum – nicht jedoch an den Polkappen – äquatorial maskiert. Anschließend wird Gold aufgedampft und die maskierende Membran entfernt, sodass Saturnpartikel zurück bleiben. Die Saturnpartikel weisen hydrophile Kappen sowie einen hydrophoben Gürtel auf. An einer Öl-Wasser-Grenzfläche kommt es zu einer Selbstanordnung dieser Saturnpartikel durch Verknüpfung ihrer Gürtel in Form von zweidimensionalen Netzwerken. In diesen Netzwerken können einfache geometrische Formen gefunden werden. Es ist dabei nicht möglich, die Partikel durch einen Krafteintrag in einem flächendeckenden Muster zu organisieren. Die Untersuchung erfolgt durch konfokale Fluoreszenzspektroskopie. Die Goldkappen der Saturnpartikel zeigen ein Fluoreszenzsignal.:Bibliographische Beschreibung und Referat
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretischer Teil
2.1 Januspartikel
2.1.1 Herstellungsmöglichkeiten
2.1.1.1 Herstellung durch Oberflächenmodifizierung
2.1.1.2 Phasenseparation zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten
2.1.1.3 Herstellung aus Bausteinen über Selbstanordnung
2.1.2 Anwendung
2.2 Saturnpartikel
2.2.1 Herstellung durch Oberflächenmodifizierung
2.2.2 Herstellung durch Phasenseparation von nicht mischbaren Flüssigkeiten
2.2.3 Herstellung aus Bausteinen über Selbstanordnung
2.3 Partikelstabilisierte Membranen
2.4 Aktuelle Fortschritte in der Gastrennung Mittels Gestützter Flüssigmembranen
2.4.1 Gestützte Flüssigmembranen (Supported Liquid Membranes)
2.4.2 Flüssigkeiten
2.4.2.1 Nicht-Ionische Flüssigkeiten
2.4.2.2 Ionische Flüssigkeiten
2.4.2.3 Stark Eutektische Lösemittel
2.4.3 Matrixmaterialien
2.4.4 Träger
2.4.5 Trennaufgaben
2.4.5.1 CO2/N2
2.4.5.2 CO2/CH4
2.4.5.3 Alken/Alkan
2.4.5.4 Andere Trennaufgaben
2.4.6 Einfluss von Temperatur und Druck
2.4.7 Stabilität
2.4.8 Simulationen
2.4.9 Zusammenfassung und Ausblick des Kapitels
2.5 Grenzflächen
2.5.1 Grenzflächenspannung
2.5.2 Kontaktwinkel und Benetzung
2.5.3 Partikelassistierte Benetzung
2.5.3.1 Float-casting
2.6 Modifizierung von Oberflächen durch Selbstorganisierende Monoschichten
2.6.1 Silanisierung von Oberflächen
2.6.2 Thiolisierung von Oberflächen
2.7 Fluoreszenz
2.8 Netzwerkanalyse
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Herstellung von Saturnpartikeln durch schrittweises Einsinken in ein Polymer
3.2 Herstellung von Saturnpartikeln mit geätztem Ring mit Ätzzelle
3.2.1 Beschreibung der Ätzzelle
3.2.2 Optimierung des Verfahrens
3.2.2.1 Einlegen der Thermoplastischen Folien in Ethanol
3.2.2.2 Einführung eines Luer-Lock-Systems
3.2.2.3 Erhöhung der Pumpgeschwindigkeit bei der Reinigung
3.2.3 Beschreibung der erhaltenen Saturnpartikel
3.3 Pickering-Membranen stabilisiert durch Saturnpartikel mit geätztem Ring
3.3.1 Permeabilitätsuntersuchungen von Pickering-Membranen
3.3.1.1 Theoretische Permeanzen
3.3.1.2 Experimentelle Permeanzen
3.4 Herstellung von Saturnpartikeln durch Beschichtung mit Gold und graduelles
Ätzen
3.5 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting
3.5.1 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Glaspartikel
3.5.2 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Siliziumdioxidpartikel
3.5.3 Herstellung von Saturnpartikeln über Float-casting: Silsesquioxanpartikel
3.5.3.1 Bestimmung der Schichtdicke des Goldes
3.5.3.2 Membranherstellung mit Silsesquioxanpartikel über Floatcasting
3.5.3.3 Oberflächenmodifizierung der Goldkappen
3.6 Selbstanordnung von Saturnpartikeln unter dem Konfokalmikroskop
3.6.1 Erste Anordnungen
3.6.2 Einsatz von Zinkbromidlösungen
3.6.3 Fluoreszenz von Saturnpartikeln bei verschiedenen Flüssigkeitsgemischen
3.6.4 Fluoreszenz der Goldkappen
3.6.5 Flüssigkeitsmeniskus in den Probengefäßen
3.6.6 Messung an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche
3.6.7 Schallunterstützte Anordnung
3.6.8 Mathematische Beschreibung der Saturnpartikelnetzwerke
4 Zusammenfassung und Ausblick
5 Experimenteller Teil
5.1 Eingesetzte Chemikalien
5.2 Verwendete Geräte
5.3 Partikelsynthese und -oberflächenmodifikation
5.3.1 Herstellung von Siliziumdioxidpartikeln im Submikrometermaßstab
5.3.2 Herstellung von Polystyrolpartikeln im Mikrometermaßstab
5.3.3 Oberflächenmodifizierung von Glaspartikeln mit Silanen
5.4 Saturnpartikel durch schrittweises Einsinken in ein Polymer
5.5 Saturnpartikel durch Beschichtung mit Gold und graduelles Ätzen
5.6 Saturnpartikel mit geätztem Ring mit Ätzzelle
5.6.1 Pickering-Membranen in einem Rollrandgläschen
5.6.2 Pickering-Membranen in der Permeationsapparatur und Permeationsuntersuchungen
5.7 Saturnpartikeln über Float-Casting
5.7.1 Glaspartikel, Supelco Glass Beads
5.7.2 Siliziumdioxidpartikel, Stöberpartikel
5.7.3 Silsesquioxanpartikel, Tospearls
5.8 Kontaktwinkelmessungen
5.8.1 Kontaktwinkel von Partikeln
5.8.2 Kontaktwinkel von planaren Substraten
5.9 Konfokalmikroskopieaufnahmen
5.9.1 Fluoreszenzlösungen
5.9.2 Konfokalmikroskopieprobengefäße
5.9.3 Subwoofer
5.9.4 Messungen am Konfokalmikroskop
5.10 Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen
5.11 Plasmaätzen
Literaturverzeichnis
Selbstständigkeitserklärung
Lebenslauf
Veröffentlichungen und Tagungsbeiträg
Towards Industrial Fabrication of Electronic Devices and Circuits by Inkjet Printing Technology
No full textPrinting since many years has been a well-known high throughput technology for producing replications of graphic arts entities (texts, images, aesthetics, gloss and physical impressions) over large varieties of substrates which are dedicated for various needful applications like newspapers, magazines, posters, official documents, packages, braille, textiles, decorative articles and many more. Due to the fact, that printing is a liquid-solution based replication process, where basic ink and substrate are needed, it is now not only limited to printing of graphic arts. Whenever an ink is deposited over a defined substrate and the process can be multiplied, it can be termed as printing and once the final product contains a functionality other than graphic arts application, it can be called as “Printed Functionality”. Some examples for printed functionalities can be found in the following fields: A. Printed electronics (using inks having electronic properties); B. Printed micro-fluidics (using inks having polymeric and elastic properties for directive purposes); C. 3-Dimensional printing (using inks containing binding properties for developing three dimensional structures); D. Printed photonics (using inks having self-assembling properties for building-up symmetric micro-structures); E. Printed pyroelectrics (using inks containing thermally flammable properties); F. Printed ceramics (using inks with ceramic particles) and G. Printed optics and functional surfaces (using inks with transparency, absorbency and reflective properties). All these mentioned applications require functional inks which in turn exhibits some physical-chemical properties e.g. particle size, particle loading, fluid’s rheological properties etc. These properties determine the feasibility of the material’s deposition (in this case the functional inks) with a suitable printing technology. The inkjet printing technology among others has several advantages such as contactless deposition processability, digitalization (batch size one & turn-over time zero), user defined customization and adaptation, industrial relevance, minimal ink demand for R&Ds, freedom of substrate regularity and µm-scale print accuracy etc. Some of the imminent players in the inkjet printing technology market are Canon, Kodak, Hewlett Packard, Fujifilm Dimatix, Konica Minolta and XAAR. They provide print solutions from small to industrial scale printheads, printers, equipments and accessories for the realization of huge variety of application ideas. The inkjet is a versatile, but yet matured technology which finds its use in various application areas e.g. home office documentation, large format posters, variable data printing, security printing, textile printing, wallpapers, household articles, curved surfaces like bottles, printing over edible items, printing of elevated surfaces etc. And, hence there are several literatures published which show the use of the inkjet printing technology in the development of products for printed electronics. Some of the common examples are development of passive and active devices e.g. capacitors, resistors, thin-film-transistors, photovoltaics, sensors, circuits like logic gates for electronic switching, device arrays for detection purposes, point of care health applications, energy harvesting applications etc. But, the exploitation of the inkjet technology has not been intense enough to declare the industrial relevance of the technology to be utilized as a fabrication tool in the market. Meanwhile, all the researchers around the globe aim at a single goal, which is the development of “Proof of Concept” devices and applications. Thus, here in this dissertation the implementation of the inkjet printing technology as a digital fabrication tool is exploited to manufacture and up-scale the printed electronic products, which can show an industrial relevance to the commercial market. The main motivation why printed electronics is in great demand (scientific point of view) and has intensely emerged in the last decades, is because of the primary challenges faced in the fabrication process steps of the µ-electronics society. It is know that the classically fabricated µ-electronic products are in the market since long time due to their high reliability, consistent performance and defined applications in circuitry. But, what cannot be ignored is the involved fabrication steps promote several demerits such as the in-flexibility towards the fabrication process, material wastage, in-ability to up-scale into larger areas and huge quantities, and physical rigidity. Some of these mentioned problems are commonly seen e.g. spin coating, chemical vapor-phase deposition, physical vapor-phase deposition, atomic layer deposition and sputtering fabrication technologies. In this present dissertation, on the contrary, the challenges linked with the manufacturing process of the µ-electronic devices using the inkjet technology are focused and attempts are made to counteract them. Some of the foreseen challenges are: A. process workflow adaptation in device manufacturing; B. validation and evaluation of device performance; C. industrializing the inkjet technology (manufacturing µ-electronics in massive quantities); D. evaluating the fabrication yield of printed devices; D. Generating statistics regarding reliability and scalability; and E. demonstrating tolerances in electronic performances. These are definitely the challenges which must be overcome, and these key research points are addressed in the dissertation
Nachhaltigkeit in der Argumentation stark machen
Get PDFDas Thema Nachhaltigkeit gewinnt deutlich an gesellschaftlicher und politischer Relevanz. Evidente naturwissenschaftliche und geisteswissenschaftliche Forschungen belegen die Notwendigkeit zum Handeln, Umsteuern und sofortigen Veränderungen. Dennoch ist Nachhaltigkeit fortlaufend mit Vorbehalten, Widerständen und Einwänden unterschiedlicher Art und Ausmaßes begleitet. Neben der hohen Kunst der Rhetorik kommt immer wieder Kampfrhetorik zur Anwendung, um evidente Forschungsergebnisse und belegbare Fakten auszuhebeln. Anhand der verschiedenen Themen der Nachhaltigkeit wird herausgearbeitet, wie für eine Transformation zur Nachhaltigkeit argumentiert und souverän mit Einwänden umgegangen werden kann. Dabei folgt die hohe Kunst der Kommunikation dem Prinzip Argumentation – Erwiderung – Erwiderung der Erwiderung. Es geht darum, auf selektiv gewählte, jedoch häufige Einwände so souverän wie möglich zu reagieren, gekonnt zu kontern und damit Nachhaltigkeit in der Argumentation stark zu machen. Diese Zusammenstellung bietet einen kompakten rhetorischen Leitfaden im Kontext der Entwicklung zur Nachhaltigkeit.The topic of sustainability is clearly gaining social and political relevance. Evidence from the natural sciences and humanities demonstrates the need for action, change and immediate transformation. Nevertheless, sustainability is continuously accompanied by reservations, resistance and objections of various kinds and degrees. Battle rhetoric is repeatedly used to undermine evidenced research results and provable facts. Based on the various topics of sustainability, the paper shows how to argue for a transformation towards sustainability and how to confidently deal with objections. In doing so, the fine art of communication follows the principle of argumentation - reply - reply to the reply. The aim is to respond and counter to selectively chosen, but common objections as confidently as possible, and thus, to make sustainability strong in reasoning. This compilation offers a compact rhetorical guide in the context of the development towards sustainability
Burg Scharfenstein – Mythos im Erzgebirge
No full textClaudia Glashauser zeichnet in ihrem Artikel die bewegte Geschichte von Burg Scharfenstein nach
Synthese, Charakterisierung und Immobilisierung von Kohlenstoffnitriden für die photokatalytische Schadstoffzersetzung
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Kohlenstoffnitriden (CN) über verschiedene Syntheserouten und deren Untersuchung bezüglich der photokatalytischen Aktivität zur Wasserreinigung bzw. zum Schadstoffabbau. Je nach Syntheseroute sind heptazinbasierte oder triazinbasierte Kohlenstoffnitride zugänglich. Die Kohlenstoffnitride werden auf ihr photokatalytisches Verhalten untersucht, wobei Produkte welche aus einer Polykondensationsreaktion ausgehend von Dicyandiamid in einem offenen Tiegel unter Luft erhalten werden, besonders hohe photokatalytische Aktivitäten aufweisen. Diese Materialien sind in der Lage verschiedene Schad- und Farbstoffe abzubauen. Die Literatur diskutiert defektreiche, unvollständig kondensierte CN-Materialien als besonders photokatalytisch aktiv. Um Rückschlüsse auf den Kondensationsgrad und die Oberflächenpolarität zu ermöglichen, wurde die Oberflächenpolarität (HBD) der CN-Materialien anhand des Kamlet-Taft-Parameters erstmal über eine Analytikmethode bestimmt. Es wird gezeigt, dass das Vorhandensein polarer Gruppen auf der Katalysatorfläche das Adsorptionsverhalten von Schadstoffen an die Katalysatoroberfläche begünstigt und so photokatalytische Abbaureaktionen positiv beeinflusst werden. CN-Materialien mit einer hohen HBD zeigen deutlich höhere Rhodamin B Umsätze, als Materialien mit einer niedrigen HBD. Photokatalytisch besonders aktive Kohlenstoffnitride wurden ausgewählt, um sie für die Schadstoffzersetzung zur Wasserreinigung als Schichten zu immobilisieren. Somit entfällt der für eine potentielle industrielle Anwendung mitunter aufwendige Abtrennungsschritt des Katalysatormaterials. Dazu kommen drei verschiedene Verfahren zum Einsatz. Zum einen werden magnetische Kohlenstoffnitrid/Eisenoxidkomposite hergestellt und diese über ein Airbrush-Sprühverfahren auf magnetische Substrate aufgebracht. Das Sprühverfahren wird auch genutzt, um Kohlenstoffnitridpartikel auf Silikonsubstrate aufzubringen. Darüber hinaus werden vliesartige Polymersubstrate über das Elektrospinnen erzeugt. Diese werden mit Kohlenstoffnitridpartikeln über ein Tauchverfahren beschichtet. Alle hergestellten Schichten werden auf ihr photokatalytisches Potential zum Schadstoffabbau untersucht. Dabei zeigt sich, dass sowohl Triclosan, als auch Ethinylestradiol und Rhodamin B erfolgreich abgebaut werden können.:Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis 3
1 Einleitung und Motivation 6
2 Grundlagen 9
2.1 Methoden zur Abwasserreinigung 9
2.1.1 Abwasserreinigung durch Kläranlagen 9
2.1.2 Einfluss von Medikamentenrückständen auf Mensch und Umwelt 10
2.1.3 Die Einführung der vierten Reinigungsstufe 11
2.2 Grundlagen der Photokatalyse 13
2.2.1 Photokatalytisches Grundprinzip 13
2.2.2 Kinetik und Mechanismen des photokatalytischen Abbaus von Schadstoffen 15
2.2.3 Kohlenstoffnitride als Photokatalysatoren 20
2.2.3.1 Historische Entwicklung und Strukturen von Kohlenstoffnitriden 20
2.2.3.2 Synthesestrategien von Kohlenstoffnitriden 21
2.2.3.3 Anwendung als Photokatalysator 23
2.2.4 Eisenoxide als Photokatalysatoren 25
2.2.4.1 Strukturen und Eigenschaften von Eisenoxiden 25
2.2.4.2 Synthesestrategien von Eisenoxiden 26
2.2.4.3 Anwendung als Photokatalysator 28
2.2.5 Funktionalisierung von Photokatalysatoren 29
2.3 Immobilisierungsmethoden von Photokatalysatoren 30
2.3.1 Überblick über Immobilisierungsmethoden 30
2.3.2 Immobilisierung von Kohlenstoffnitriden 34
2.3.3 Immobilisierung von Eisenoxiden 35
3 Ergebnisse und Diskussion 37
3.1 Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoffnitriden 37
3.1.1 CN-Materialien aus der Synthese in evakuierten Quarzglasampullen 37
3.1.2 CN-Materialien aus der Synthese in einer Salzschmelze 44
3.1.3 CN-Materialien aus der Tiegelsynthese 49
3.1.3.1 Untersuchung des Einflusses der Synthesebedingungen auf Struktur und Eigenschaften 49
3.1.3.2 Weitere photokatalytische Untersuchungen mit CN550-T4 56
3.1.3.3 Einfluss der Strahlungsquelle auf den photokatalytischen Abbau mit CN550-T4 62
3.1.4 Vergleich der CN-Materialien erhalten über unterschiedliche Synthesemethoden 66
3.2 Synthese und Charakterisierung von Eisenoxiden 71
3.3 Synthese und Charakterisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen 74
3.4 Immobilisierung von Photokatalysatoren 81
3.4.1 Immobilisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen auf magnetischen Substraten 81
3.4.1.1 Voruntersuchungen 81
3.4.1.2 Optimierung der Schichten und photokatalytische Untersuchungen 84
3.4.2 Immobilisierung von CN-Materialien auf Polymervliesen 88
3.4.2.1 Darstellung von Polymervliesen über das Elektrospinnen 88
3.4.2.2 Funktionalisierung der Fasern mit CN550-T4-Materialien 92
3.4.2.3 Photokatalytische Untersuchungen der beschichten Vliese 96
3.4.3 Immobilisierung von CN-Materialien auf Silikonsubstraten 98
3.4.4 Vergleich der Immobilisierungsmethoden 106
4 Zusammenfassung und Ausblick 109
5 Experimenteller Teil 113
5.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 113
5.2 Synthese von Katalysatorpartikeln 119
5.2.1 Synthese von Kohlenstoffnitriden in evakuierten Quarzglasampullen 119
5.2.2 Synthese von Kohlenstoffnitriden in einer Salzschmelze 120
5.2.3 Synthese von Kohlenstoffnitrid im Tiegel 121
5.2.4 Synthese von Eisenoxidpartikeln 122
5.2.5 Darstellung von Eisenoxid/CN-Kompositen 123
5.3 Immobilisierung von Photokatalysatoren 123
5.3.1 Immobilisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen auf magnetischen Substraten 123
5.3.2 Sprühen von CN-Schichten auf Silikonsubstraten 124
5.3.3 Immobilisierung von CN-Materialien auf Polymervliesen 125
6 Literaturverzeichnis 127
7 Anhang VIII
8 Curriculum Vitae XII
Selbständigkeitserklärung XII
Ökologische Nachhaltigkeit mit Kunststoffförderketten – Chancen und Herausforderungen
No full textFördersysteme mit thermoplastischen Kunststoffketten gehören zu den wichtigsten intralogistischen Transportsystemen in Produktions- und Distributionseinrichtungen. Die spezifischen Materialeigenschaften ermöglichen dabei eine enorme Gestaltungsvielfalt sowie einen energieeffizienten und in der Regel schmierungsfreien Betrieb. Bei der Gestaltung der Ketten sowie der Förderanlagen erfährt die Verbesserung der Ressourcen- und Umwelteffizienz zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks zunehmende Bedeutung. Dabei werden mithilfe von Ökobilanzen alle relevanten Prozesse bei der Herstellung, dem Betrieb sowie der End-of-Life Phase der Anlagen bewertet. Ökologische Nachhaltigkeit beginnt demnach bereits in der Designphase der Ketten, in der u. a. wesentliche Voraussetzungen für die Verwendung von Rezyklaten oder ein späteres stoffliches Recycling gelegt werden. Nach einer möglichst langen, verschleißarmen Betriebsphase mit geringem Stromverbrauch wird die stoffliche Wiederaufbereitung der Förderketten angestrebt. Aktuelle Untersuchungen zeigen am Beispiel von POM-Ketten die damit verbundenen Herausforderungen hinsichtlich Degradation und Verunreinigung, aber auch die Möglichkeiten von Post-Consumer-Rezyklaten zur Herstellung neuer Förderketten im Sinne einer Kreislaufwirtschaft