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Nanoparticle-Filled Thermoplastics and Thermoplastic Elastomer: Structure-Property Relationships
(2012)
The present work focuses on the structure-property relationships of
particulate-filled thermoplastics and thermoplastic elastomer (TPE). In this work
two thermoplastics and one TPE were used as polymer matrices, i.e. amorphous
bisphenol-A polycarbonate (PC), semi-crystalline isotactic polypropylene (iPP),
and a block copolymer poly(butylene terephthalate)-block-poly(tetramethylene
glycol) TPE(PBT-PTMG). For PC, a selected type of various Aerosil® nano-SiO2
types was used as filler to improve the thermal and mechanical properties by
maintaining the transparency of PC matrix. Different types of SiO2 and TiO2
nanoparticles with different surface polarity were used for iPP. The goal was to
examine the influence of surface polarity and chemical nature of nanoparticles on
the thermal, mechanical and morphological properties of iPP composites. For
TPE(PBT-PTMG), three TiO2 particles were used, i.e. one grade with hydroxyl
groups on the particle surface and the other two grades are surface-modified with
metal and metal oxides, respectively. The influence of primary size and dispersion
quality of TiO2 particles on the properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites
were determined and discussed.
All polymer composites were produced by direct melt blending in a twin-screw
extruder via masterbatch technique. The dispersion of particles was examined by
using scanning electron microscopy (SEM) and micro-computerized tomography
(μCT). The thermal and crystalline properties of polymer composites were characterized by using thermogravimetric analysis (TGA) and differential
scanning calorimetry (DSC). The mechanical and thermomechanical properties
were determined by using mechanical tensile testing, compact tension and
Charpy impact as well as dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA).
The SEM results show that the unpolar-surface modified nanoparticles are better
dispersed in polymer matrices as iPP than polar-surface nanoparticles, especially
in case of using Aeroxide® TiO2 nanoparticles. The Aeroxide® TiO2 nanoparticles
with a polar surface due to Ti-OH groups result in a very high degree of
agglomeration in both iPP and TPE matrices because of strong van der Waals
interactions among particles (hydrogen bonding). Compared to unmodified
Aeroxide® TiO2 nanoparticles, the other grades of surface modified TiO2 particles
are very homogenously dispersed in used iPP and TPE(PBT-PTMG). The
incorporation of SiO2 nanoparticles into bisphenol-A PC significantly increases
the mechanical properties of PC/SiO2 nanocomposites, particularly the resistance
against environmental stress crazing (ESC). However, the transparency of
PC/SiO2 nanocomposites decreases with increasing nanoparticle content and
size due to a mismatch of infractive indices of PC and SiO2 particles. The different
surface polarity of nanoparticles in iPP shows evident influence on properties of
iPP composites. Among iPP/SiO2 nanocomposites, the nanocomposite
containing SiO2 nanoparticles with a higher degree of hydrophobicity shows
improved fracture and impact toughness compared to the other iPP/SiO2
composites. The TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites show much better thermal and mechanical properties than neat TPE(PBT-PTMG) due to strong chemical
interactions between polymer matrix and TiO2 particles. In addition, better
dispersion quality of TiO2 particles in used TPE(PBT-PTMG) leads to dramatically
improved mechanical properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites.
Die Preformmontage ist ein zentrales Element moderner Prozessketten zur effizien-ten Herstellung von CFK-Komponenten integraler Bauweise. Ihre technologische Darstellung mittels der Ultraschall-Schweißtechnologie erschließt neue Potentiale für die binderbasierte Preform-Prozesskette bezüglich der Reduzierung von Prozesszeit und Energieverbrauch, der Steigerung des Automatisierungsgrades und der Verar-beitung komplexer Geometrien unter Einsatz von Hochtemperatur-Bindersystemen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Ultraschall-Schweißtechnologie zur Montage bebinderter Preforms auf Basis grundlegender Untersuchungen entwickelt und anlagentechnisch umgesetzt. Studien der Wirkmechanismen des Prozesses zur Wärmeerzeugung und Laminatkompaktierung wurden durchgeführt. Die Gewichtung und Interaktion der Prozessparameter wurde mittels statistisch geplanter Versuche ermittelt und die mechanischen Eigenschaften verschweißter Laminate wurden ge-messen. Das aufgrund von Randeffekten stark ausgebildete Temperaturprofil im Pre-formlaminat wurde messtechnisch erfasst und rechnerisch modelliert. Die Studien bildeten die Grundlage zur Umsetzung eines robotergestützten, parameterüberwach-ten Ultraschall-Endeffektors.
Für viele Anwendungen von Polymerkompositen steigt der Bedarf an multifunktionalen
Werkstoffeigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit als integrierte
Funktionalität ist eine davon. Elektrisch leitfähige Polymerkomposite werden unter
anderem in explosionsgeschützten Anlagen oder in Bereichen eingesetzt, in denen
eine elektrostatische Ableitung gefordert wird.
Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes (CNTs)) sind aufgrund ihrer herausragenden
intrinsischen, vorwiegend mechanischen und elektrischen Eigenschaften
als Funktionsfüllstoff in polymeren Matrizes in das wissenschaftliche und industrielle
Interesse gerückt. Aufgrund ihrer vielfältigen Erscheinungsformen, abhängig von ihren
Herstellungsverfahren von einwandigen bis mehrwandigen CNTs und ihrer vorhandenen
Defektdichte sowie strukturellen Aufbauten, ist jede CNT-Type als Individuum
zu betrachten. Unabhängig von existierenden Einflussfaktoren wie z.B. dem
Matrixpolymer und den Verarbeitungsbedingungen differieren je nach CNT-Type die
Nanokompositeigenschaften signifikant. Dies führt dazu, dass die Ergebnisse und
Erkenntnisse außerordentlich stark streuen. Dadurch sind allgemeingültige Aussagen
nur bedingt möglich. Häufig sind nicht alle notwendigen Details der Wertschöpfungskette
in Veröffentlichungen dargelegt, was die Nachvollziehbarkeit erschwert.
Industriell hergestellte, mehrwandige CNTs (MWNTs) sind verstärkt in das industrielle
Interesse gerückt. Die Erforschung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
von CNT-Nanokompositen, außerhalb des Labormaßstabs, mit kommerziell
verfügbaren MWNTs und industriell relevanten Verarbeitungsverfahren, ist
weiter von ingenieurwissenschaftlicher Relevanz. Es besteht ein großer Bedarf an
Forschungsarbeiten, die klar herausstellen, welche Eigenschaftsprofile unter Beachtung
der notwendigen Wertschöpfungskette zu erzielen sind.
Bei der Kompoundentwicklung ist die gleichzeitige Verbesserung von Kompositeigenschaften
wie beispielsweise elektrischer, mechanischer und tribologischer Eigenschaften
anzustreben, um eine effektive Multifunktionalität zu erzielen. Die Funktionalisierung
mit mikroskaligen kurzen Kohlenstofffasern (SCFs) und mikroskaligem
Graphit ist Stand der Technik. Eine Kombination von nano- und mikroskaligen Füllstoffen
stellt große Potenziale zur Optimierung von Kompositeigenschaften bereit. Derartige Hybridwerkstoffe versprechen Synergien. Werden diese gezielt ausgenutzt,
lassen sich die Gesamteigenschaften über das Potenzial der Einzelfüllstoffe hinaus
optimieren. Es liegen wenige systematische Studien von Füllstoffkombinationen aus
MWNTs und SCFs oder Graphit vor. Zudem finden Hochtemperatur-Thermoplaste
wie das in dieser Arbeit eingesetzte Polyphenylensulfid (PPS) in der Literatur wenig
Beachtung, obwohl diese inzwischen industriell stark an Bedeutung gewinnen.
Ziel dieser Arbeit war die grundlagenorientierte, wissenschaftliche Betrachtung der
erreichbaren multifunktionalen Eigenschaften von PPS Kompositen durch den Einsatz
kommerziell verfügbarer MWNTs im direkten Vergleich und in Kombination mit
mikroskaligen SCFs und Graphit als Füllstoffe. Dazu wurden systematisch Kombinationen
der drei Füllstoffe untersucht, um eine effektive Multifunktionalität zu realisieren
und um die Effektivität der Einzelfüllstoffe in kombinierten Füllstoffsystemen zu
erforschen.
Neben der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit und den mechanischen Eigenschaften
unter Zugbelastung bei Raumtemperatur wurden die tribologischen Eigenschaften
der Komposite untersucht. Über mikroskopische Verfahren, DSC-, DMTAund
Viskositätsuntersuchungen konnten wesentliche Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
abgeleitet werden, indem die dafür notwendige Wertschöpfungskette
von der Kompositherstellung über Doppelschneckenextrusion und anschließender
Probenherstellung über Spritzguss als industriell relevante Herstellungsverfahren
Beachtung fand.
Über optimierte Prozessparameter (Schneckendesign, Drehzahl, Temperatur etc.)
der Doppelschneckenextrusion und des Spritzgusses konnte gezeigt werden, dass
elektrisch leitfähige PPS-Komposite mit geringsten MWNT-Füllstoffgehalten
(< 2 Gew.-%) unter Beibehaltung der Zugfestigkeit realisiert werden können. Dabei
wurde die Steifigkeit erhöht, die Zähigkeit erniedrigt.
Systematisch wurden monomodale Graphit/, SCF/, bimodale MWNT/Graphit/, Graphit/
SCF/, MWNT/SCF/ und multimodale MWNT/Graphit/SCF/PPS-Komposite hergestellt,
womit der jeweilige Füllstoffeinfluss auf das Eigenschaftsprofil untersucht
wurde. Sowohl die Steifigkeitssteigerung durch MWNTs und SCFs als auch die spezifischen
elektrischen Leitfähigkeiten der Komposite wurden mit bereits existierenden Modellen beschrieben. Für bimodale MWNT/SCF/PPS-Komposite konnte ein neuer
Modellansatz zur Beschreibung der elektrischen Leitfähigkeit erarbeitet werden.
Mit dieser Arbeit wurden erstmals Studien zu systematischen Füllstoffkombinationen
von MWNTs, Graphit und SCFs in PPS durchgeführt, Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
abgebildet und die notwendige Wertschöpfungskette dargelegt.
Mit den neuen Ergebnissen und Erkenntnissen dieser Arbeit ist es zukünftig möglich,
durch eine optimierte Füllstoffkombination von MWNTs, SCFs und Graphit das Gesamteigenschaftsprofil
von PPS Kompositen zielorientiert einzustellen.
Durch diese Arbeit wurde klar herausgearbeitet, wie die Einzelfüllstoffe und insbesondere
deren Kombinationen das Eigenschaftsprofil beeinflussen. Daraus geht hervor,
dass MWNTs der effektivste Füllstoff zur Integration einer elektrischen Leitfähigkeit
ist. Dagegen bestimmen SCFs das mechanische und tribologische Eigenschaftsprofil
und Graphit dient zur Optimierung tribologischer Eigenschaften und insbesondere
zur Reduktion des Reibungskoeffizienten. Synergien zur Verbesserung
der elektrischen Leitfähigkeit zwischen SCFs und MWNTs wurden nachgewiesen,
speziell in Perkolationsnähe, dem Bereich, in dem die Leitfähigkeit um Dekaden ansteigt.
Induction welding is a technique for joining of thermoplastic composites. An alternating
electromagnetic field is used for contact-free and fast heating of the parts to be
welded. In case of a suitable reinforcement structure heat generation occurs directly
in the laminate with complete heating in thickness direction in the vicinity of the coil.
The resulting temperature field is influenced by the distance to the induction coil with
decreasing temperature for increasing distance. Consequently, the surface facing the
inductor yields the highest, the opposite surface the lowest temperature.
The temperature field described significantly complicates the welding process. Due to
complete heating the laminate has to be loaded with pressure in order to prevent delamination,
which requires the usage of complex and expensive welding tools. Additionally,
the temperature difference between the inductor and the opposite side may
be greater than the processing window, which is determined by the properties of the
matrix polymer.
The induction welding process is influenced by numerous parameters. Due to complexity
process development is mainly based on experimental studies. The investigation
of parameter influences and interactions is cumbersome and the measurement
of quality relevant parameters, especially in the bondline, is difficult. Process simulation
can reduce the effort of parameter studies and contribute to further analysis of
the induction welding process.
The objective of this work is the development of a process variant of induction welding
preventing complete heating of the laminate in thickness direction. For optimal
welding the bondline has to reach the welding temperature whereas the other domains
should remain below the melting temperature of the matrix polymer.
For control of the temperature distribution localized cooling by an impinging jet of
compressed air was implemented. The effect was assessed by static heating experiments
with carbon fiber reinforced polyetheretherketone (CF/PEEK) and polyphenylenesulfide
(CF/PPS).
The application of localized cooling could influence the temperature distribution in
thickness direction of the laminate, according to the specifications of the welding
process. The temperature maximum was shifted from the inductor to the opposite side. This enables heating of the laminate to welding temperature in the bondline and
concurrently preventing melting and effects connected to this on the outer surface.
Inductive heating and the process variant with localized cooling were implemented in
three-dimensional finite-element process models. For that purpose, the finiteelement-
software Comsol Multiphysics 4.1 was used for the development of fully
coupled electromagnetic-thermal models which have been validated experimentally.
A sensitivity analysis for determination of different processing parameters of inductive
heating was conducted. The coil current, field frequency, and heat capacity were
identified as significant parameters. The cooling effect of the impinging jets was estimated
by appropriate convection coefficients.
For transfer of the developed process variant to the continuous induction welding
process, a process model was created. It represents a single overlap joint with continuous
feed. With the help of process modeling a parameter set for welding of
CF/PEEK was determined and used for joining of specimens. In doing so, the desired
temperature field was achieved and melting of the outer layers could be prevented.
Unidirectional (UD) composites are the most competitive materials for the production
of high-end structures. Their field of application spreads from the aerospace up to
automotive and general industry sector. Typical examples of components made of
unidirectional reinforced composite materials are rocket motor cases, drive shafts or
pressure vessels for hydrogen storage. The filament winding technology, the pultrusion
process and the tape placement are processes suitable for the manufacturing
using UD semi-finished products. The demand for parts made of UD composites is
constantly increasing over the last years. A key feature for the success of this technology
is the improvement of the manufacturing procedure.
Impregnation is one of the most important steps in the manufacturing process. During
this step the dry continuous fibers are combined with the liquid matrix in order to create
a fully impregnated semi-finished product. The properties of the impregnated roving
have a major effect on the laminate quality, and the efficient processing of the
liquid matrix has a big influence on the manufacturing costs.
The present work is related to the development of a new method for the impregnation
of carbon fiber rovings with thermoset resin. The developed impregnation unit consists
of a sinusoidal cavity without any moving parts. The unit in combination with an
automated resin mixing-dosing system allows complete wet-out of the fibers, precise
calibration of the resin fraction, and stable processing conditions.
The thesis focuses on the modeling of the impregnation process. Mathematical expressions
for the fiber compaction, the gradual increase of the roving tension, the
static pressure, the capillarity inside the filaments of the roving, and the fiber permeation
are presented, discussed, and experimentally verified. These expressions were
implemented in a modeling algorithm. The model takes into account all the relevant
material and process parameters. An experimental set-up based on the filament
winding process was used for the validation of the model. Trials under different conditions
have been performed. The results proved that the model can accurately simulate
the impregnation process. The good impregnation degree of the wound samples
confirmed the efficiency of the developed impregnation unit. A techno economical
analysis has proved that the developed system will result to the reduction of the
manufacturing costs and to the increase of the productivity.
Faser-Kunststoff-Verbunde haben in vielen technischen Bereichen eine stetig
wachsende Verbreitung erfahren. Diese rührt aus ihren vorteilhaften Eigenschaften
hoher gewichtsspezifischer Festigkeit und Steifigkeit. Dadurch
sind Gewichtsreduktion, erhöhte Nutzlast, sowie hohe Funktionsintegration in
Kombination mit einer freien Formgebung und einer beanspruchungsgerechten
Konstruktion möglich. Daneben weisen faserverstärkte Kunststoffe hohe
Energieabsorption und herausragende Ermüdungseigenschaften auf. Zur
quasi-statischen Bauteilauslegung existieren physikalisch basierte Bruchkriterien;
Analysemodelle zur quantitativen Beschreibung des gesamten komplexen
Ermüdungsversagens sind zurzeit noch Gegenstand der Forschung.
Werkstoffermüdung erfordert eine gesonderte Betrachtung bei der Auslegung
und Konstruktion. Die am Institut für Verbundwerkstoffe vorhandenen Verfahren
zur Berechnung der Ermüdung von Faserverbunden sind auf die Berechnung
ebener Belastungen an geometrisch ebenen und dünnwandigen Bauteilen
unter Verwendung linearer Werkstoffgesetze begrenzt. Der bei komplexen,
dünnwandigen und gekrümmten dreidimensionalen Bauteilen unter schwingender
Belastung vorliegende Spannungszustand erfordert zur realitätsnahen
Abbildung den Einsatz nichtlinearer Werkstoffgesetze und geeigneter Versagensmodelle
zur kontinuumsmechanischen Beschreibung der Schadensentwicklung,
welche in die Finite-Elemente-Analyse zu integrieren sind.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines auf der Critical-
Element-Methode basierenden Berechnungskonzepts für die Simulation der
Ermüdung von Faser-Kunststoff-Verbunden von der für geometrisch einfache
Strukturen einsetzbaren Klassischen Laminattheorie bis zum Einsatz in der
Finite-Element-Methode bei komplexen Bauteilgeometrien. Dazu wurden geeignete
nichtlineare Werkstoffgesetze und Versagensmodelle für das komplexe
Versagensverhalten unter schwingender Belastung an einem mit Endloskohlenstofffaser
verstärkten Werkstoff auf Einzelschichtebene experimentell
bestimmt und ihr Einsatz in der entwickelten Finite-Elemente-Lebensdaueranalyse
exemplarisch an einem Anwendungsbeispiel eines praktisch relevanten
Bauelements validiert.
In quasi-statischen Zug- und Druckversuchen wurden die nichtlinearen Spannungs-Verzerrungs-Beziehungen des Werkstoffs an Flachprobekörpern
ermittelt und mit der Ramberg-Osgood-Funktion beschrieben. Zur Ermittlung
ermüdungsrelevanter Kennwerte wurden Restfestigkeitsuntersuchungen nach
zyklischer Ermüdung, die Bestimmung des Steifigkeitsabfalls unter zyklischer
Belastung und Einstufenversuche zur Beschreibung der Wöhlerlinie durchgeführt.
Um die Messung des nichtlinearen Materialverhaltens im Versuch
möglichst frei von Einflüssen der Prüfvorrichtung zu ermöglichen, wurde ein
verbessertes Prüfverfahren für Zugschwell-, Druckschwell- und Zug-Druck-
Wechselprüfungen an Flachproben erarbeitet.
Unter Nutzung der experimentell ermittelten Werkstoffgesetze zusammen mit
geeigneten Versagenskriterien wurde ein Finite-Elemente-Lebensdaueranalyseprogramm
entwickelt, das durch die Verwendung eigenständiger Programmroutinen
eine für die praktikable Durchführbarkeit einer prognosefähigen Lebensdaueranalyse
notwendige Rechenzeitverkürzung erreicht. Die entwickelte
kontinuumsmechanische Versagensanalyse ermöglicht die präzise Analyse
der Einzelschichtspannungen des Laminats infolge der äußeren Belastung
in Kombination mit einer spannungsbasierten Anstrengungsanalyse zur Abbildung
der ermüdungsbedingten Degradation der Werkstoffkennwerte bis hin
zum Gesamtversagen. Die Berechnung des Degradationsfortschritts durch zyklische
Belastung ist in guter Übereinstimmung mit dem in experimentellen Untersuchungen
an quasi-isotropen Probekörpern beobachteten Versagensvorgängen.
Dieser wurde versuchsbegleitend in zweidimensionalen Röntgenaufnahmen
detektiert und durch dreidimensionale Computertomographie den Einzelschichten
zugeordnet. Durch Nachrechnung experimenteller Untersuchungen
an einem quasi-isotropen, mit Endloskohlenstofffaser verstärkten Bauelement
mit Kreisausschnitt konnte die entwickelte Lebensdaueranalyse validiert
und eine konservative Vorhersage der Versagensschwingspielzahl abgeschätzt
werden. In Variationsanalysen wurde der Einfluss der nichtlinearen
Werkstoffgesetze und eines Degradationsmodells auf die Lebensdaueranalyse
untersucht.
Die Entwicklung der integrierten Finite-Elemente-Lebensdaueranalyse stellt
einen deutlichen Fortschritt des Berechnungskonzeptes dar und ermöglicht
einen Einblick in die komplexen Interaktionen aus Geometrie, Belastung, Degradationsmodellen
und Schadensausbreitung bei Ermüdungsbelastung.
Thermoplastic polymer-polymer composites consist of a polymeric matrix and a
polymeric reinforcement. The combination of these materials offers outstanding
mechanical properties at lower weight than standard fiber reinforced materials.
Furthermore, when both polymeric components originate from the same family or,
ideally, from the same polymer, their sustainability degree is higher than standard
fiber reinforced composites.
A challenge of polymer-polymer composites is the subsequent processing of their
semi-finished materials by heating techniques. Since the fibers are made of meltable
thermoplastic, the reinforcing fiber structure might be lost during the heating process.
Hence, the mechanical properties of an overheated polymer-polymer composite
would decline, and finally, they would be even lower than the neat matrix. A decrease
of process temperature to manage the heating challenge is not reasonable since the
cycle time would be increased at the same time. Therefore, this work pursues the
adaption of a fast and selective heating method on the use with polymer-polymer
composites. Inductively activatable particles, so-called susceptors, were distributed in
the matrix to evoke a local heating in the matrix when being exposed to an
alternating magnetic field. In this way, the energy input to the fibers is limited.
The experimental series revealed the induction particle heating effect to be mainly
related to susceptor material, susceptor fraction, susceptor distribution as well as
magnetic field strength, coupling distance, and heating time. A proper heating was
achieved with ferromagnetic particles at a filler content of only 5 wt-% in HDPE as
well as with its respective polymer fiber reinforced composites. The study included
the analysis of susceptor impact on mechanical and thermal matrix properties as well
as a degradation evaluation. The susceptors were identified to have only a marginal
impact on matrix properties. Furthermore, a semi-empiric simulation of the particle
induction heating was applied, which served for the investigation of intrinsic melting
processes.
The achieved results, the experimental as well as the analytic study, were
successfully adapted to a thermoforming process with a polymer-polymer material,
which had been preheated by means of particle induction.
Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung effizienter und nachhaltiger Verfahren zur Addition von N-H Nukleophilen an terminale Alkine und für die Insertion von CO2 in die C-H Bindung terminaler Alkine.
Im ersten Teil dieser Dissertation wurde der Mechanismus der Ruthenium-katalysierten Addition von Amiden an terminale Alkine eingehend durch eine Kombination von Kontrollexperimenten, kinetischen Studien, spektroskopischen Untersuchungen und theoretischen Berechnungen untersucht. Zunächst wurden vier literaturbekannte Katalysezyklen identifiziert, die plausible Mechanismen für die Hydroamidierung terminaler Alkine darstellen. Aufbauend auf nachgewiesenen Elementarschritten chemisch verwandter Reaktionen wurde zusätzlich ein weiterer Mechanismus für die Hydroamidierung abgeleitet. Anschließend wurde eine Reihe von Kontrollexperimenten durchgeführt, mit deren Hilfe einzelne Elementarschritte der Katalysezyklen falsifiziert und somit Mechanismen ausgeschlossen werden konnten. Um herauszufinden, ob die Hydroamidierung mit dem einzig verbliebenen Mechanismus zutreffend beschrieben werden kann, wurden spektroskopische Studien durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden vor, während und nach Hydroamidierungstestreaktionen durchgeführt, und auf diese Weise konnten zahlreiche postulierte Intermediate nachgewiesen und der verbleibende Katalysezyklus bekräftigt werden. Die in diesen mechanistischen Studien gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Entwicklung einer neuen Katalysatorgeneration mit ausgesprochen hoher Selektivität für die Bildung wertvoller Z-Enamide und Z-Enimide genutzt. Das synthetische Potential wurde zudem durch die Darstellung der biologisch aktiven Naturstoffe Lansiumamid A und B, Lansamid I sowie Botryllamid C und E demonstriert.
Im zweiten Teil dieser Arbeit gelang es, hocheffiziente Silber(I)/DMSO-katalysierte Methoden zur Carboxylierung terminaler Alkine mit CO2 bei Normaldruck zu entwickeln.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung funktionaler Modellsysteme von Bromo- und Chloroperoxidasen zur Oxidation von Bromid und Chlorid unter wasserfreien und nachhaltigen Bedingungen. Die neuen Methoden fanden Anwendung in der Synthese halogenierter O-Heterocyclen, welche häufig als Grundstrukturen von Naturstoffen mit ausgeprägten physiologischen Wirkungen auftreten. Die gewonnenen Erkenntnisse lösten vorhandene Probleme mit Reaktivität und Chemoselektivität in oxidativen Bromierungsreaktionen und trugen zu einem besseren Verständnis der beobachteten Regioselektivitäten in Bromcyclisierungen hochsubstituierter 4-Pentenole bei. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte erstmalig eine analoge Methode zur oxidativen Chlorcyclisierung für die Darstellung beta-chlorierter Tetrahydrofurane und Tetrahydropyrane entwickelt werden.
In this study, two outstanding subgroups of organic-inorganic hybrid materials have been investigated. The first part covers the design, synthesis, characterization and application of seven novel Metal Organic Frameworks (MOFs) containing functionalized biphenyl dicarboxylates as linkers. In the second part, the surface modification of the metal oxides ZrO2, TiO2 and Al2O3 using phosphonate derivates is reported.
Firstly three functionalized MOF structures; ZnBrBPDC, ZnNO2BPDC and ZnNH2BPDC were synthesised using 4,4´-biphenyldicarboxylic acid derivatives with different functional groups (-Br, -NO2, -NH2) Powder X-ray diffraction (PXRD) measurements indicated that the synthesised MOFs posses the interpenetrated IRMOF-9 structure with a cubic topology, which was also confirmed with single crystal X-ray measurements. The chemical structure of the MOF materials was further proved by solid state NMR and IR measurements. N2 adsorption measurements showed Type I isotherms for all three structures with large surface areas. TGA measurements of the evacuated samples were in good agreement with the elemental analysis data. The results proved that their thermal stability is between 325 °C - 450 °C.
Adsorption properties of these MOF structures were tested using light alkanes (CH4, C2H6, C3H8, and n-C4H10) at three different temperatures. For all adsorbents, the maximum uptakes were observed at 273 K. When the temperature was increased, the amount of the adsorbed gas decreased. All three MOFs showed strong affinities for n-butane. The lowest uptakes were observed for CH4.
The effect of functional groups on the IRMOF series was also examined by synthesizing amide functionalized biphenyl linkers. For this purpose, four different linkers containing amides with different alkyl chains (C1-C4) were synthesized and used for the synthesis of four new MOF structures ZnAcBPDC, ZnPrBPDC, ZnBuBPDC and ZnPeBPDC.
PXRD measurements of ZnAcBPDC indicated that the structure contains two different phases. PXRD patterns of ZnPrBPDC, ZnBuBPDC and ZnPeBPDC revealed non-interpenetrated structures which were further proved by single crystal X-ray measurements. The chemical structure of the MOF materials was further confirmed by X-ray spectoscopy, solid state NMR and IR measurements.
N2 adsorption measurements of the MOF structures were carried out using different activation methods. For all four MOFs, Type I isotherms were obtained. ZnAcBPDC showed the highest BET surface area. ZnAcBPDC and ZnBuBPDC were tested for their alkane, alkene and CO2 adsorption capacities.
In the second part of the work, the surface modification of three different metal oxides, ZrO2, TiO2 and Al2O3 was performed. For this purpose firstly three different fluorescent phosphonate derivatives containing thiophene units were synthesized from their halo derivatives in a four step synthesis and then used as coupling molecules for the surface modification. Nine different surfaces were obtained (38@TiO2, 39@TiO2, 40@TiO2, 38@Al2O3, 39@Al2O3, 40@Al2O3, 38@ZrO2, 39@ZrO2, 40@ZrO2).
All three modified metal oxide surfaces were characterized using elemental analysis, solid state NMR and IR spectroscopy. The BET surface areas of the materials were determined by N2 adsorption measurements. TGA was used to determine the stability of the surfaces. Maximum loadings were obtained for ZrO2 surfaces.
Due to the strong luminescence of the coupling molecules, the modified surfaces were checked for their light emission. All ZrO2 and Al2O3 surfaces showed fluorescence with exception of 40@Al2O3. On the other hand, for the modified TiO2 surfaces, no fluorescence could be observed.