Herstellung, Charakterisierung und Anwendungen von funktionalen Polymer/Bakterien Vliesstoff-Kompositen

Titelangaben

Reich, Steffen:
Herstellung, Charakterisierung und Anwendungen von funktionalen Polymer/Bakterien Vliesstoff-Kompositen.
2018 . - I, 189 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Die vorliegende Dissertation beinhaltet die Entwicklung von Nanokomposit-Materialien unter Verwendung von Polymeren, Mikroorganismen und Metallnanostrukturen. Polymer/Bakterien-Kompositvliese eignen sich besonders für die Reinigung von Abwässern in Bezug auf die Rückgewinnung anorganischer Edelmetalle und die Produktion von Energie. Polymer/Metall-Kompositvliese sind in der Lage Strom zu leiten und gleichzeitig als Joule heater zu fungieren, während Polymer/Metall-Kompositschwämme durch eine gezielte Kompression leitfähige Perkolationspfade bilden und als Joule heater ihre Anwendung finden. Der kumulative Teil wurde in 5 ineinander aufbauende Kapitel aufgeteilt. Polymer/Micrococcus luteus - Kompositvliese wurden durch Elektrospinnen einer Polyvinylalkohol Micrococcus luteus – Dispersion in Wasser zu Nanofasern verarbeitet und in einem weiteren Schritt mit Poly(p-xylylen) mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung zu wasserstabilen Kompositvliesen verarbeitet. Dieses Kompositvlies diente zur Rückgewinnung von Gold und konnte in den Kompositvliesen mittels Raserelektronenmikroskopie und einem energiedispersiven Röntgenanalysedetektor qualitativ und mit Hilfe von optischer Emmissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppeltem Plasma quantitativ nachgewiesen werden. Diese Goldnanopartikel konnten erfolgreich an einem Katalysesystem, der hydrolytischen Oxidation von Dimethylphenylsilan mit Wasser, überprüft werden. Dieses System macht sich nicht nur der Bioremediation von Edelmetallen zu Nutze, sondern wird auch in der Energieproduktion aus Abwässer eingesetzt. Polymer/Shewanella oneidensis MR-1 – Kompositvliese wurden durch Elektrospinnen einer Polyvinylalkohol Shewanella oneidensis MR-1 – Dispersion in Wasser zu Nanofasern verarbeitet und in einem weiteren Schritt mit Poly (p-xylylen) mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung zu wasserstabilen Kompositvliesen verarbeitet. Das Kompositvlies wurde als Anodenmaterial in einer mikrobiellen Brennstoffzelle getestet. In diesem Fall wurden die Leistungssteigerungen von freien Shewanella oneidensis MR-1, natürlichen Biofilmen, und Kompositmaterialien verglichen, wobei das Kompositvlies eine deutliche Leistungsteigerung im Gegensatz zu den natürlichen Biofilmen aufgezeigt hat. Neben dem Elektrospinnen als Immobiliserungsmethode sind auch weitere Verfahren, wie dem Sprühtrocknen, bekannt. Polymer/Bakterien-Kapseln wurden durch das Sprühtrocknungsverfahren in großen Mengen hergestellt. Diverse Polymere, wie Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Hydroxypropylcellulose und Gelatine, konnten erfolgreich zu Polymerkapseln verarbeitet werden. In diese Polymerkapseln wurden Micrococcus luteus und Escherichia coli bei 150 °C und 120 °C verkapselt und mittels Raman-Rasterkraft-Spektroskopie, Rasterelektronen-mikroskopie und Transmissionselektronen-mikroskopie nachgewiesen. Die hergestellten Polymer/Bakterien-Kapseln konnten in ausgerichteten hydrophoben Polymernanofasern verarbeitet werden, die ihre spätere Anwendung in der Bioremediation, Katalyse oder als Anodenmaterial in einer mikrobiellen Brennstoffzelle finden können. Für die Herstellung von mikrobiellen Brennstoffzellen sind leitfähige Komposite essentiell, welche durch das Wet-laid Verfahren hergestellt werden konnten. Polymer/Metall - Kompositvliese wurden durch das Wet-laid-Verfahren erfolgreich hergestellt. Für die Herstellung solcher Kompositvliese werden Kurzschnitt-faser - Dipsersionen und leitfähige Silbernanodrähte benötigt. Die Kurzschnittfaser-dispersionen werden erhalten, indem elektrogesponnene Polyacrylnitrilfasern und Poly (ε-caprolacton)-fasern in einem Blender zerkleinert werden. Polyacrylnitrilfasern dienen als Matrix während Poly(ε-caprolacton)-fasern als Binder eingesetzt werden, um die Matrix mit einander zu verkleben. Silbernanodrähte wurden als leitfähiges Additiv zugesetzt, um einen elektrischen Perkolationspfad in der Matrix zu gewährleisten. Die sukzessive Erhöhung der Silbernanodrahtmenge in der Matrix steigert ebenfalls die elektrische Leitfähigkeit und kann einen Wert von 750000 S/m annehmen. Das hergestellte Polymerkompositvlies kann anschließend als Elektrodenmaterial in einem Joule heater erfolgreich verwendet werden. Das Kompositvlies ist zudem porös, atmungsfähig, biegsam und faltbar, was zu einem weitreichenden Einsatzgebiet als Elektrodenmaterial führt. Diese Materialien sind in ihrer Funktion jedoch eingeschränkt, denn in diesem Fall werden leitfähige Komposite hergestellt, die entweder permanent leitfähig sind oder keine Leitfähigkeit aufweisen. Die Kombination aus Isolator und Leiter lässt sich durch die Herstellung dreidimensionaler Schwämme erhalten, die durch eine Kompression ihren Widerstand verändern. Polymer/Metall - Kompositschwämme wurden durch den Gefriertrocknungsprozess hergestellt. Hierfür kommen Kurzschnittfasern aus Polyimidfasern und Silbernanodrähten zum Einsatz. Zu dieser Dispersion wird Polyamidocarbonsäure, welches als Binder zum Einsatz kommt, gemischt, um die Stabilität zu gewährleisten. Die Silbernanodrähte dienen erneut als leitfähiges Additiv. Im Ausgangszustand besitzt der Kompositschwamm keine bis eine geringe Leitfähigkeit, während bei einer Kompression des Schwammes eine elektrische Leitfähigkeitssteigerung erreicht wird. Der Kompositschwamm fungiert ebenfalls als Joule heater. Auch hier wird ein weitreichendes Einsatzgebiet als Elektrodenmaterial prognostiziert.

Abstract in weiterer Sprache

The present thesis includes the development of nanocomposite materials using polymers, microorganisms, and metal nanostructures. Polymer/bacteria composite nonwovens are especially suitable for the cleaning of sewage with regard to the recovery of inorganic precious metals and the production of energy. Polymer/metal composite nonwovens are able to conduct electricity and, at the same time, act as Joule heater, while polymer/metal/composite sponges form conductive percolation paths via directed compression and can be applied as Joule heater. The cumulative part is divided into five successive chapters. Polymer/Micrococcus luteus composite nonwovens were processed to nanofibers in water by electrospinning of a poly(vinyl alcohol) Micrococcus luteus-dispersion. In a second step, they were processed to water-stable composite nonwovens with poly(p-xylylene) with the help of chemical vapor deposition. This composite nonwoven was used for the recovery of gold. Whereas its quality in the composite nonwovens was proven by scanning electron microscopy and an energy-dispersive X-ray analysis detector, its quantity was proven with the help of optical emission spectrometry via inductively linked plasma. These gold nanoparticles were successfully investigated at a catalysis system, the hydrolytic oxidation of dimethylphenylsilane with water. An equal system was used for energy production of encapsulated microorganism in polymer fibers. Polymer/Shewanella oneidensis MR-1 composite nonwovens were processed to nanofibers by electrospinning of a poly(vinyl alcohol) Shewanella oneidensis MR-1 dispersion in water and, in a second step, they were processed with poly(p-xylylene) to water-stable composite nonwovens by using chemical vapor deposition. The composite nonwoven was tested as anode material in a microbial fuel cell. In this case, the increases in efficiency of free Shewanella oneidensis MR- 1, natural biofilms, and composite materials were compared, whereas the composite nonwoven showed a considerable increase in efficiency compared to the natural biofilms. Additionaly, spray drying technique is known for encapsulation of microorganism in polymer formulations. Polymer/bacteria-capsules were manufactured in large quantities by spray-drying. Miscellaneous polymers such as poly(vinyl alcohol), poly(vinyl pyrrolidone), hydroxypropyl cellulose, and gelatin were successfully processed to polymer capsules. In these polymer capsules, Micrococcus luteus and Escherichia coli were encapsulated at 150°C and 120°C and were proven via Raman-scanning-force-spectroscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy. The manufactured polymer/bacteria-capsules could be processed into aligned hydrophobic polymer nanofibers. Electrical conductivity is essential for materials in microbial fuel cells. For this purpose, electrically conductive composites were prepared with a wet-laid method. Polymer/metal composite nonwovens were successfully manufactured by wet-laid processes. The manufacture of such composite nonwovens requires short cut fiber dispersions and conductive silver nanowires. Short cut fiber dispersions are obtained by cutting electrospun polyacrylonitrile fibers and poly(-caprolactone) fibers in a blender. Polyacrylonitrile fibers serve as matrix while poly(ε-caprolactone) fibers are used as binder in order to stick the matrix together. Silver nanowires were added as conductive additive in order to ensure an electric percolation path in the matrix. The gradual increase of the quantity of silver nanowires in the matrix also increases the electric conductivity and can reach a value of 750.000 S/m. Afterwards, the manufactured polymer composite nonwoven can be successfully used as electrode material in a Joule heater. In addition to that, the composite nonwoven is porous, breathable, flexible and foldable. This results in a wide range of applications as electrode material. This two dimensional system is permanent electrically conductive or insulating. Three dimensional systems have the advantage in induction of electrical conductivity by compression. Three dimensional Polymer/metal-composite sponges were manufactured by freeze-drying. For this purpose, short cut fibers from polyimide fibers and silver nanowires are used. Poly(amidocarboxylic acid), which serves as binder in order to ensure stability, is added to the polyimide fiber dispersion. This is necessary in order to achieve stability during compression. The silver nanowires serve again as conductive additive. In its initial state, the composite sponge shows no or low conductivity. However, during a compression of the sponge, its electrical conductivity increases. The composite sponge also serves as joule heater. In this case, a wide range of applications can also be anticipated.