Synthesis & characterization of narrowly dispersed colloidal objects: bridging polymeric to inorganic materials with distinct optical properties

Titelangaben

Feller, Tanja:
Synthesis & characterization of narrowly dispersed colloidal objects: bridging polymeric to inorganic materials with distinct optical properties.
2023 . - XXII, 135 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Cooling is an essential technology for many domestic and industrial applications. However, conventional cooling technologies require additional external energy input. In contrast, passive radiative daytime cooling provides cooling only by radiative heat exchange with cold outer space. In this technology, an object emits radiation in the earth’s atmospheric window between 8-13 μm and reflects any other radiation, especially in the solar region. This technique holds great potential for environmentally friendly practical applications in energy-efficient green buildings and smart personal thermal management systems. A wide range of functional materials and sophisticated structures have been demonstrated as thermal radiators. Although some materials are well discussed and theoretically investigated, further improvements are needed to allow for scalable and more efficient material concepts. The scope of this thesis is the preparation and characterization of polymer particle building blocks and micro-structured dielectric ceramic materials for potential passive cooling applications. Particles are often used in passive cooling composite materials to enhance scattering and reflection in the solar range. This can be achieved by changing the particle shape and structure or adjusting fundamental material properties. Distinct particle size distributions and the surface charge are paramount for further processing, for example, particle assembly, towards radiative cooling applications. These properties can be analyzed with field flow fractionation (FFF). Besides highly monodisperse poly(methyl methacrylate)/n-butyl acrylate spheres, ellipsoidal polystyrene particles with different aspect ratios were investigated by this technique. FFF allowed determining the particle size distribution, which was able to resolve subtle changes in the particle size and revealed particle agglomerates caused by the dispersion processing. Furthermore, the zeta potential of polystyrene/silica core-shell particles was evaluated with FFF and compared with a conventional analysis device. Finally, the stability of hollow silica spheres was visualized by analyzing redispersed particles, which were treated with varying ultrasonication methods. Field flow fractionation is a powerful technique to characterize dispersions owing to its capability to resolve the entire particle distribution function. The optical properties in the IR region can be tuned by using inorganic dielectric materials, which exhibit strong absorption in the atmospheric window. More precisely, silicon dioxide and silicon carbide have suitable optical properties in the mid-infrared range, which renders them promising materials for ambient temperature thermal emitters. Bottom-up synthesis routes followed by different calcination methods were used to fabricate silicon carbide particles. The materials were analyzed with optical, chemical, thermal, and spectroscopic methods. Two techniques, the magnesiothermic reduction, and the carbothermal reaction were investigated for the conversion from silica to silicon carbide particles. The influence of reaction parameters in the calcination step, like the temperature, the gaseous atmosphere, or the size and composition of the precursor particles, were studied. Particularly, grained mixtures of silica particles with reactant materials (carbon or magnesium), silica-carbon core-shell particles, and silica precursor particles with covalently bonded carbon were synthesized and used for the transformation to silicon carbide. It was found that besides stoichiometry, the main crucial parameters for the successful conversion from silica to silicon carbide with the preservation of the spherical structure of the particles are the interface between silicon and carbon species, and especially the gaseous atmosphere. Both calcination methods favored side reactions when nitrogen was used as inert gas instead of argon. Spectroscopic analysis of the particles themselves and assembled as monolayers on polydimethylsiloxane was conducted and confirmed the potential for radiative cooling applications. In addition to individual particles, more complex 3D structures out of dielectric ceramic materials can also affect the optical properties. On the one hand, inverse opals are especially interesting due to their periodic mesostructure, which causes a photonic stopband. Polymer particles were assembled into colloidal crystals and infiltrated with liquid preceramic precursors to form inverse opal structures in a hard templating process. Systems based on the same precursors and calcination routes as in the particle section were tested. Amorphous silicon carbide/silica inverse opals were produced with magnesiothermic reduction. It was observed that even with adjustments in the assembly and the heating process, the formation of polycrystalline silicon carbide inverse opals was unsuccessful with the carbothermic reaction. On the other hand, fibers do not have long-range order giving rise to scattering. The fabrication process for fiber-based ceramics with solution blow spinning was briefly outlined and tested with an airbrush and a 3D-printed microchannel setup. These results show convenient protocols for fabricating SiC particles and inverse structures starting from silica materials in the submicron size range. Both transformation techniques, magnesiothermic and carbothermic, are advantageous for different material structures. This can be used for future works that deal with particle composite materials for radiative cooling applications or as a basis to produce other systems, e.g., fibers, for direct and large-scale processes.

Abstract in weiterer Sprache

Kühlungstechnologien sind essenziell für viele häusliche und industrielle Anwendungen. Allerdings benötigen konventionelle Kühlungstechnologien eine zusätzliche externe Energieeinspeisung. Im Gegensatz dazu erfolgt die Kühlung mit passiver radiativer Kühlung am Tag nur durch Wärmeaustausch in Form von Strahlung mit dem kalten Weltraum. Hierbei emittiert ein Objekt Strahlung im Atmosphärenfenster der Erde zwischen 8-13 Mikrometer und reflektiert jede andere Strahlung, insbesondere im Bereich des Sonnenlichts. Diese Technik hat großes Potential für umweltfreundliche praktische Anwendungen in energieeffizienten grünen Gebäuden und schlaue Wärmemanagementsysteme für Personen. Eine Vielzahl von funktionalen Materialien und komplexen Strukturen wurden schon als thermische Strahler vorgestellt. Obwohl einige Materialien oft erörtert und theoretisch erforscht worden sind, werden zusätzliche Verbesserungen benötigt, um skalierbare und effizientere Materialkonzepte zu ermöglichen. Die Aufgabenstellung dieser Doktorarbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von Polymerpartikeln, die als Bausteine für weitere Strukturen verwendet werden können, und mikrostrukturierten dielektrischen keramischen Materialien für potenzielle Anwendungen in der Passivkühlung.Partikel werden häufig in Verbundwerkstoffen für die Passivkühlung verwendet, um die Streueigenschaften und die Reflektion im Bereich des Sonnenlichts zu erhöhen. Dies kann durch die Variation der Partikelform und -struktur oder durch Einstellung von grundlegenden Materialeigenschaften erfolgen. Enge Partikelgrößenverteilungen und Oberflächenladungen sind von großer Bedeutung für die Weiterverarbeitung, z.B. bei der Partikelanordnung, für Anwendungen für radiative Kühlung. Diese Eigenschaften können mit der Feld-Fluss-Fraktionierung (FFF) analysiert werden. Neben höchst monodispersen Polymethylmethacrylat/n-butylacrylat Kugeln, wurden auch elliptische Polystyrolpartikel mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen mit dieser Methode untersucht. FFF ermöglichte die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung, mit der feine Änderungen in der Partikelgröße aufgelöst, und durch die Dispersions-verarbeitung verursachte Partikelagglomerate aufdeckt werden konnten. Zusätzlich wurde das Zeta-Potential von Polystyrol/Silika Kern-Schale Partikeln mit der FFF bestimmt und mit einem üblichen Analysegerät verglichen. Schließlich wurde die Stabilität von Silika Hohlkugeln durch die Analyse von redispergierten Partikeln, die mit unterschiedlichen Ultraschallmethoden behandelt worden sind, dargestellt. Die Feld-Fluss-Fraktionierung ist eine leistungsstarke Technik zur Charakterisierung von Dispersionen, da sie in der Lage ist, die gesamte Partikelverteilungsfunktion aufzulösen. Die optischen Eigenschaften im IR-Bereich können durch die Verwendung von anorganischen, dielektrischen Materialien, die eine starke Absorption im Atmosphärenfenster aufweisen, angepasst werden. Genauer gesagt Siliziumdioxid und Siliziumkarbid besitzen geeignete optische Eigenschaften im mittleren IR-Bereich, was sie zu aussichtsreichen Materialien für thermische Emitter bei Umgebungstemperaturen macht. Bottom-up-Syntheserouten mit anschließenden Kalzinierungsmethoden wurden verwendet, um Siliziumkarbidpartikel herzustellen. Die Materialien wurden mit optischen, chemischen, thermischen und spektroskopischen Methoden untersucht. Zwei Methoden, die magnesiothermische Reduktion und eine karbothermische Reaktion, wurden getestet, um Silika- zu SiC-Partikel umzuwandeln. Der Einfluss von verschiedenen Reaktionsparametern im Kalzinierungsschritt, wie die Temperatur, die Gasatmosphäre oder die Größe und Zusammensetzung der Precursorpartikel wurden untersucht. Insbesondere granulierte Mischungen von Silikapartikeln mit den Reaktionspartnern (Kohlenstoff oder Magnesium), Silika-Kohlenstoff Kern-Schale Partikel und Silika Precursorpartikel mit kovalent gebundenem Kohlenstoff wurden hergestellt und für die Umwandlung zu Siliziumkarbid verwendet. Es wurde herausgefunden, dass neben der Stöchiometrie, die Grenzfläche zwischen Silizium und Kohlenstoff und besonders die Gasatmosphäre als kritische Parameter für die erfolgreiche Umwandlung von Silika zu Siliziumkarbid, unter Erhalt der sphärischen Struktur der Partikel, gelten. Bei beiden Kalzinierungstechniken wurden Nebenreaktionen begünstigt, wenn Stickstoff anstelle von Argon als Inertgas verwendet worden ist. Spektroskopische Analysen von den Partikeln selbst und angeordnet als Monolagen auf Polydimethylsiloxan wurden durchgeführt und bestätigten das Potential für die Anwendung als radiativer Kühler. Zusätzlich zu einzelnen Partikeln, können auch komplexere 3D Strukturen aus dielektrischen, keramischen Materialien die optischen Eigenschaften beeinflussen. Zum einen sind inverse Opale hierfür besonders interessant, da ihre periodische Mesostruktur die Ausbildung eines photonischen Stopbands bewirkt. Hierfür wurden Polymerpartikel in kolloidalen Kristallen angeordnet und mit flüssigen präkeramischen Grundstoffen infiltriert, um inverse Opale in einem „hard-template“ Prozess herzustellen. Die Systeme mit den gleichen Ausgangsmaterialien und Kalzinierungsrouten, die bereits für die Partikel verwendet worden sind, wurden hier ebenfalls getestet. Mit der magnesiothermischen Reduktion konnten amorphe Siliziumkarbid/Siliziumdioxid inverse Opale hergestellt werden. Bei der Verwendung einer carbothermischen Reaktion wurde beobachtet, dass selbst mit Anpassungen im Anordungs- und Heizprozess, die Herstellung von inversen Opalen aus polykristallinen Siliziumkarbid nicht erfolgreich war. Zum anderen haben Fasern keine weitreichende Ordnung, was zu einer Verstärkung von Streuung führt. Der Herstellungsprozess für faserbasierte Keramiken mit „solution blow spinning“ wurde kurz umrissen und mit einer Airbrush Pistole sowie einem 3D gedrucktem Mikrokanal Aufbau getestet. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse geeignete Protokolle für die Herstellung von SiC Partikeln und inversen Opalstrukturen ausgehend von Siliziumdioxid im Größenbereich kleiner als einem Mikrometer. Beide Umwandlungsmethoden, magnesiothermisch und carbothermisch, sind vorteilhaft für jeweils unterschiedliche Materialstrukturen. Diese können für zukünftige Arbeiten, die Komposit Materialien mit Partikeln für radiative Kühlung behandeln oder als eine Basis zum Aufbau von anderen Materialsystemen, wie z.B. Fasern, für direkte und großflächige Anwendungen, verwendet werden.