Solid state NMR for advanced materials characterization

Adams, Alina; Blümich, Bernhard

doi:HT014105293

Solid state NMR for advanced materials characterization

Adams, Alina (Author)^RWTH*

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alina Reghina Buda

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangVI, 156 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blümich, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-07-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8887
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59491/files/Buda_Alina.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Polymere (Genormte SW) ; Festkörper-NMR-Spektroskopie (Genormte SW) ; Spindiffusion (Genormte SW) ; Physik (frei) ; NMR (frei) ; spin-diffusion (frei) ; polymer (frei) ; fibres (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ein wichtiges Ziel in der Materialforschung ist das Aufzeigen der Abhängigkeiten der makroskopischen Eigenschaften von den mikroskopisch verteilten Inhomogenitäten innerhalb von Materialen. Diese Information ist wichtig für die Herstellung von Materialien mit bestimmten Eigenschaften. Spin-Diffusions-NMR ist eine etablierte Methode zur Bestimmung der Gebietsgrößen und zur Untersuchung der Morphologie von heterogenen Polymeren. Zum ersten Mal werden generell gültige analytische Lösungen für einen eindimensionalen Prozess in einer Modellmorphologie bestehend aus drei verschiedenen Gebieten beliebiger Größe, Diffusionskoeffizienten und Protonendichte vorgestellt. Weiterhin wird eine NMR-Methode zur Bestimmung der komplexen Morphologie von semikristallenen Polymeren vorgestellt. Durch Kombination von dipolaren Filtern, zur Selektion der mobilen und nicht mobilen Gebiete in einer heterogenen Probe, zusammen mit eindimensionalen und multidimensionalen analytischen Spindiffusionsgleichungen, konnte erfolgreich die komplexe Morphologie von Nylon-6 Fasern dargestellt werden. Durch ein speziell abgestimmtes Spindiffusionsexperiment mit einem MAPE Dipolarfilter erhält man nur die örtliche Verteilung der mobilen amorphen Gebiete und die Gesamtgröße der Fasern als Ganzes. Eine Abschätzung der kristallenen und der weniger mobilen amorphen Gebiete entlang der Fasern sowie deren Durchmesser und der Abstand der Einzelfasern konnten durch ein Spindiffusionsexperiment mit einem Doppelquantumfilter erreicht werden. Die Unterschiede in den Gebietsgrößen konnten mit den Herstellungsbedingungen in Zusammenhang gebracht werden. Weiterhin wurden 1H-Spindiffusionsmessungen zur Bestimmung der festen amorphen, der Verbindungsregion und der mobilen amorphen Gebiete an einer Serie von (PEO-b-PHEMA) Diblockcopolymeren mit verschiedenen Molekulargewichten durchgeführt. Ein weiteres Thema waren biologisch abbaubare polymere mit shape memory Eigenschaften. Netzwerke von [(L-lactide)-ran-glycolide]dimethacrylate mit möglichen medizinischen Anwendungen wurden bezüglich ihrer Struktur, Mobilität, shape memory Eigenschaften und Abbaubarkeit in vitro untersucht. Weiterhin wurden die molekulardynamischen Heterogenitäten von dünnen Lecithinschichten, eingegrenzt in submicron großen zylindrischen Poren, mit Hilfe von Proton multple-quantum- und magnetization-exchange Experimenten untersucht. Der Effekt der Oberflächenbedeckung, die Porengröße, und der Temperatureinfluss auf die Heterogenität der Kettendynamik wurden diskutiert. Mit Hilfe von magnetization transfer Experimenten wurden auch die Interaktionen zwischen Kollagen und der Hydration untersucht. Der Vorgang und die dazu beitragenden funktionalen Gruppen wurden identifiziert und charakterisiert.

An important objective of material science is to establish relationships between the microscopic distributed heterogeneities and the macroscopic properties of materials. This information is essential in order to design materials with improved properties. Spin-diffusion NMR represents an established method to investigate domain sizes and morphology of heterogeneous polymers. General analytical solutions were for the first time derived for an one-dimensional process in a model morphology system represented by three different domains with arbitrary sizes, diffusivities, and proton densities. Further on, an NMR approach to clarify the complex morphology of semicrystalline polymer systems was introduced. This approach uses a combination of dipolar filters that select the mobile and the rigid domains of a heterogeneous sample in combination with one-dimensional and multi-dimensional analytical solutions of the spin-diffusion equations adapted to a specific morphology. The above approach was successfully applied to clarify the morphology of Nylon-6 fibres. The particular set up of the spin-diffusion experiment using a MAPE dipolar filter reveals only the spatial distribution of the mobile amorphous domains and the aggregates of fibrils as a whole. An estimation of domain sizes of crystalline and less-mobile amorphous domains along the fibrils as well as the diameter of the fibrils and the inter-fibril distance could be achieved in a spin-diffusion experiment employing a double-quantum filter. The changes detected in the domain sizes were correlated with the processing conditions. Further on, 1H spin-diffusion measurements were used to estimate the domains sizes of the rigid amorphous, the interface, and the mobile amorphous regions of a series of (PEO-b-PHEMA) diblock copolymers with different molecular weights. Another interesting topic covered was related to biodegradable polymers having shape memory properties. Networks of [(L-lactide)-ran-glycolide]dimethacrylate with potential medical applications were characterized in terms of structure, mobility, shape memory properties, and degradation behavior in vitro. Further on, the molecular dynamic heterogeneities of thin lecithin films confined to submicron cylindrical pores were investigated using proton multiple-quantum and magnetization-exchange experiments. The surface induced orientation of the molecular chains which leads to the chain dynamics faster than in bulk. The effect of the surface coverage, the pore size, and the temperature on the heterogeneity of the chain dynamics was discussed. Additionally, a study of the interaction between the collagen and its water of hydration was done with the help of magnetization transfer experiments. The steps involved in this process as well as the functional groups contributing to it were identified and characterized.

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