Universität Stuttgart
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Item Open Access Herstellung, Charakterisierung und Weiterverarbeitung von Carbon Nanotube Dispersionen(2013) Moller, Björn P.; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat)Ziel dieser Arbeit ist es, das Dispergierverhalten von Carbon Nanotubes systematisch zu untersuchen, und die Einflussgrößen zur Herstellung optimierter sowohl wässriger als auch lösemittelbasierter Dispersionen zu bewerten. Aus diesen Dispersionen wurden dann sowohl reine CNT-Membranen als auch Polymer-Komposit-Membranen entwickelt und charakterisiert. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Hauptkapitel. Nach einer Einführung, die die Moti-vation und Zielsetzung der Arbeit darlegt, werden in Kapitel 2 die zum Verständnis notwendigen theoretischen Grundlagen und in Kapitel 3 der aktuelle Stand der Wissenschaft dargestellt. Kapitel 4 beschreibt die in dieser Arbeit verwendeten Materialien und Methoden. Hierbei werden neben den unterschiedlichen Carbon Nanotubes und den physikalischen Prinzipien der ver-wendeten Messmethoden auch die einzelnen Verfahrenschritte zur Herstellung von CNT-Sheets sowie CNT-Polymer-Komposit Flachmembranen erläutert. Die in Kapitel 5 vorgestellten Ergebnisse gliedern sich in drei wesentliche Aspekte. Erstens die Herstellung von CNT-Dispersionen und die Bewertung der Einflussgrößen. Hierbei zeigt sich bei der Untersuchung unterschiedlicher Dispergiermethoden wie Hochdruckdispergierung, Ultra-Turrax oder Kugelmühle, dass nur die Ultraschalldispergierung in der Lage ist, die Kräfte aufzubringen, die für das Aufbrechen von CNT-Agglomeraten sowie zur homogene Verteilung isolierter Nanotubes notwendig sind. Beim Vergleich unterschiedlicher Lösemittel wurde die Dispergierfähigkeit in herkömmlichen Lösemitteln wie Ethanol, Aceton oder Dimethylformamid (DMF) mit weiteren Lösemitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und ionischen Flüssigkeiten verglichen. Es zeigt sich, dass neben NMP und NEP (N-Ethyl-2-pyrrolidon) auch Pyrrolidon und Pyridin gute CNT-Dispersionen ergeben. Grund hierfür ist möglicherweise die Ähnlichkeit der chemische Struktur der Stoffe. So weisen NEP, NMP und Pyrrolidon einen Ring aus vier Koh-lenstoff und einem Stickstoffatom auf, im Fall von Pyridin handelt es sich um einen Benzolring, bei dem ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom subsituiert. Untersuchungen zum Einfluss der Oberflächenenergie konnten die in der Literatur postulierte These bestätigen, dass sich CNTs besser dispergieren lassen, je ähnlicher sich die Oberflä-chenenergien von CNT und Lösemittel sind. Eine Annäherung der Oberflächenenergie von CNTs an die Oberflächenenergie des Lösemittels wurde mittels Plasmamodifkation durchgeführt, und somit eine verbesserte Dispergierbarkeit erreicht. Als zweiter Aspekt wurde die Einsatzmöglichkeit von reinen CNT-Sheets (Bucky Papern) als Membran untersucht. Hierzu wurden drei Ansätze verfolgt: Schaltbare Membranen, Adsorpti-onsmembranen und heizbare Membranen. Während im Fall der Adsorptionsmembranen sowie der heizbaren Membranen die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt werden konnte, muss der Einsatz von CNT-Sheets als schaltbare Membranen als nicht realisierbar angesehen werden. In keiner Messung konnte ein Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Filtrationseigenschaften nachgewiesen werden. Der dritte Aspekt setzt den Schwerpunkt auf die Herstellung und Charakterisierung von CNT-Polymer-Kompositen für den Einsatz als Flachmembranen. Die Erkenntnisse der Dispergierversuche wurden genutzt, um aus optimierten CNT-Dispersionen Polymer-Komposite in Form von Polysulfon-Flachmembranen herzustellen. Optische Messungen zeigten, dass auch bei einer optimalen Vereinzelung und homogenen Verteilung von CNTs, ein Füllgrad von 1 Gew.-% ausreicht, um ein Absenken der Transmission von 80% auf 50% zu bewirken. Durch geeignete Wahl der Dispergierparameter konnte jedoch eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 1 S/m erreicht werden. Die hergestellten Membranen zeigen vielversprechende erste Ergebnisse, z.B. in ihren Seperationseigenschaften. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Füllgrad und Membraneigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit oder mittlerem Porendurchmesser, konnte jedoch noch nicht experimentell bestätigt werden. Kapitel 6 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick ab. Dank der durchgeführten Experimente sowie der gewonnenen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen können in Zukunft optimierte CNT-Dispersionen aus unterschiedlichem MWCNT-Rohmaterial hergestellt werden. Es ist dadurch möglich, Polymer-Komposite herzustellen, die eine homogene Verteilung vereinzelter CNTs zeigen und somit bereits bei geringen Füllgraden signifikante Veränderungen in physikalischen Eigenschaften wie z.B. der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Eine Optimierung sollte jedoch auf das Polymersystem angepasst werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse können genutzt werden, um den „bottleneck“ der schlechten Dispergierbarkeit von Carbon Nanotubes teilweise zu beseitigen. Dies ist ein wichtiger Schritt, um in Zukunft die Eigenschaften dieses außergewöhnlichen Materials in industriellem Maßstab nutzen zu können.Item Open Access Phänotypische und molekularbiologische Untersuchungen der Interaktionen in gemischten Biofilmen(2012) Purschke, Frauke Gina; Rupp, Steffen (PD Dr.)Die Mehrheit der Mikroorganismen lebt in ihrer natürlichen Umgebung in Biofilmen, oberflächenassoziierten Lebensgemeinschaften, die normalerweise von einer extra-zellulären Matrix umgeben sind. Die meisten Biofilme werden nicht von einzelnen sondern mehreren Spezies gebildet, die in den Biofilmen nicht nur miteinander kooperieren, sondern auch um vorhandene Nährstoffe konkurrieren. Die Gram-negative Bakterienspezies Pseudomonas aeruginosa und der polymorphe Pilz Candida albicans sind zwei opportunistisch Pathogene, die oft in Co-Existenz in einem humanen Wirt nachgewiesen werden. Verschiedene Modelle antagonistischen Verhaltens wurden für diese Organismen in gemischten Biofilmen berichtet. Um diese Inter-aktionen zwischen P. aeruginosa und C. albicans genauer zu erforschen, wurde der Einfluss der Quorum sensing Moleküle untersucht. Hierfür wurde ein in vitro Assay etabliert, der eine einfache und schnelle Detektion von Veränderungen in der Aus-prägung von Biofilmen erlaubt. Während sowohl Überstände als auch nur das für die Biofilmbildung von P. aeruginosa wichtige Quorum sensing Molekül N-3-oxo-dodecanoyl-homoserinlacton die Biofilmbildung von C. albicans unterdrücken, wirkt Farnesol, der Pilz-Autoinducer, zwar inhibierend auf die Adhärenz, aber verstärkend auf bereits bestehende bakterielle Biofilme. Zur weiteren Charakteriserung dieser Interaktion wurde das Sekretom einzelner und gemischter Biofilme zu verschiedenen Zeitpunkten mit MALDI-TOF MS/MS analysiert. Insgesamt wurden 247 unter-schiedliche Proteine identifiziert, von denen 170 P. aeruginosa und 77 C. albicans zugeordnet werden konnten. P. aeruginosa sekretierte in Anwesenheit von C. albicans Virulenzfaktoren wie das Exotoxin A sowie Proteine der Stoffwechselwege zur Eisenerfassung wie das Pyochelin-Biosynthese-Protein PchD und den Ferripyoverdin-Rezeptor FpvA. Außerdem wurde in gemischten Biofilmen jedoch nicht in rein bakteriellen Biofilmen das Siderophor Pyoverdin identifiziert, das Eisen mit großer Affinität bindet. Dieses deutet darauf hin, dass P. aeruginosa in Konkurrenz mit C. albicans die Wege zur Eisenaufnahme induziert. Von C. albicans dagegen wird der Metabolismus reprimiert, inklusive der detektierten eisenbindenden Proteine. Diese Ergebnisse zeigen, dass Mikroorganismen nicht nur mit dem Wirt um essentielle Nährstoffe konkurrieren, sondern auch mit der vorhandenen Mikroflora. Die transkriptionellen Veränderungen während der Ausbildung von Biofilmen wurden genutzt, um Reporterstämme in C. albicans, P. aeruginosa und dem nicht-pathogenen E. coli herzustellen, welche die Bildung von Biofilmen anzeigen. Mit Hilfe dieser Stämme können Quorum sensing Moleküle anderer Mikroorganismen detektiert werden. Gemeinsam mit dem in vitro Assay steht mit diesen Stämmen eine Toolbox zur Verfügung, um Biofilme und Einflüsse auf diese zu charakterisieren.Item Open Access Influence of the ion energy on generation and properties of thin barrier layers deposited in a microwave plasma process(2012) Ramisch, Evelyn Christine; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)The demand for environment-friendly energy sources increases more and more, which is not only caused by the energy turnaround initialized by the Federal Government. In this context, the focus is set mainly on the development of wind power and solar energy with competitive production costs. Above all, this is a problem for solar cells, which, today, are mainly fabricated out of crystalline silicon and, therefore, are in competition with semiconductor industry. Hence, the development of solar cells based on alternative materials like e.g. copper-indium-gallium-diselenide (CIGS) is of great interest. Because of the lower layer thickness needed for this material, these solar cells can be fabricated on flexible substrates like metal foils. This possibility offers a broader spectrum of applications. For reaching low production costs, the applicability of unpolished steel foil, which exhibits scratches on the µm scale, is investigated as substrate for the solar cells in this work. The use of any metal as substrate requires a barrier layer between the substrate and the solar cells to prevent short-circuits between the separate cells of a solar module and to prevent the diffusion of undesired substrate elements into the solar cells. In this work, siliconoxide and silicon-nitride coatings are deposited as barrier layers in a microwaveplasma process in a gas mixture of HMDSO (hexamethyldisiloxane) and oxygen or monosilane and ammonia. To have the opportunity of influencing the layer growth by high-energetic ions, an additional substrate bias is applied during the deposition, which leads to a capacitive discharge superimposing the microwave one. The high-energetic ions impinging on the layer surface lead to a layer smoothing and melting, especially at positions of indentations in the substrate surface. Hence, the barrier properties of the coating are improved clearly, which was identified by insulation measurements of the deposited film. The layer growth modification is analyzed on the basis of substrates with a well-defined rough surface structure in the µm range experimentally as well as by simulations with the Monte-Carlo Code SDTrimSP-2D, which allows a detailed analysis of the local layer growth mechanisms contributing to the deposition. Additionally, the impinge of the energetic ions affects the molecular structure and composition of the coatings as well. These parameters are an important indicator for the layer material properties like adhesion, hardness and diffusion properties. The molecular composition of the deposited layers is analyzed in detail by Fourier- ransform infrared (FTIR) spectroscopy. From the layer composition and their refractive index, conclusions on the diffusion behavior of the coatings are drawn. In case of applying the substrate bias, the spectra indicate a denser and harder film in case of silicon oxide. Hence, these layers are more diffusion preventing compared to the unbiased ones. On the other hand, the silicon-nitride coatings show contrary properties: They offer more porous layers, when the substrate bias is applied, and, therefore, they assist diffusion.Item Open Access Particle dynamics simulation and diagnostics of the PECVD processes in fluorocarbon rf discharges(2010) Barz, Jakob Philipp; Lunk, Achim (Prof. Dr. rer. nat. habil.)The present work deals with the investigation of fluorocarbon plasmas by different experimental methods and supporting numerical analysis of the plasma with an emphasis on plasma-chemical interactions. Several insights could be gained from the combined experimental and numerical approaches, especially concerning the conclusiveness of the results and previous observations from the literature. Plasma diagnostics were performed with non-invasive methods, such as UI probe measurements, microwave interferometry, laser-induced fluorescence, UV absorption measurements, and mass spectrometry. The complementary numerical simulations accounted for the electron-neutral interactions, discharge dynamics, and chemical reactions. From the excitation and ionization cross sections of argon as well as the dissociation, ionization, and attachment cross sections of trifluoromethane, the field-dependence of transport parameters were obtained. These transport parameters were used as input data for fluid-modeling of the discharge. For the plasma dynamics simulation, the Boltzmann-equation was solved numerically for transport of mass, momentum, and energy in a time-dependent two-term approach. The so-obtained electron density and the power-voltage characteristics were compared to measurements with microwave interferometry and the UI probe, respectively. An overall good agreement of the numerical and measured electron densities was obtained over a large variation range of plasma power, gas composition, and pressure. The power-voltage characteristics showed a good agreement between numerical results and data obtained right after ignition of plasma. It was further found that the measured data showed time-dependent developments from which strong deviations resulted. The time scales of changes were typically in the range of milliseconds to seconds after ignition. It was concluded that compositional changes in the gas phase were the reason. The high abundance of oligomers as well as small molecules like HF in the gas phase on one hand, and the loss of molecules by polymer deposition on the other hand affect the charge carrier mobilities and the ionic composition, such result in the changes observed. Furthermore, from this investigation, the major fragmentation processes were identified. For the investigation of the reaction-diffusion processes, investigations by laser-induced fluorescence were carried out. In order to obtain best resolution along the axial direction of the plasma reactor, the conventional crossed-beam technique was modified. Such, a resolution of up to 60 micrometers became possible. Thus, highly-resolved axial densities of two plasma abundant intermediates, fluoromethylidine and difluorocarbene, were obtained. For the analysis of the gas phase kinetics, a numerical chemical-diffusion model was set up. To complete the analysis of the plasma dynamics, the deposition of plasma polymer onto substrates was examined. The deposition rate was determined, and changes in the surface chemistry at the transition form uncovered substrates to closed films were revealed. For the identification of the deposition precursors, results from the chemical-diffusion model were adopted for the analysis. The oligomer molecules, which are produced at high results according to the simulation, were shown to correlate well with the polymer deposition rate. It was found by electron spin resonance (ESR) that chemical reactions took place within the deposited polymer films. The restructuring of the polymer by these reactions resulted in highly cross-linked films according to x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Further, it was found that the amount of fluorine in the polymer was lower than could be expected from the oligomers formed according to the chemical model. Such, it was suggested that ejection of fluorine containing species was taking place especially during the plasma glow, promoted by electron and ion bombardment, and radiation. Moreover, the ejection of fluorine containing species was tentatively ascribed to the production of difluorocarbene at the surface of the plasma chamber as observed by LIF. Concluding, radical and metastable fluxes from the electrodes, combined with isotropic gas phase reactions, determine the density profiles of several species from trifluoromethane plasmas. They strongly feed back the plasma chemistry, which itself feeds back the plasma particle dynamics. According to models, the deposition occurs via formation of oligomers in the gas phase, which deposit on the surface either as neutrals or ions, and become crosslinked by subsequent reactions. The origin of the particle fluxes at the electrodes is not yet identified, but indications were found for the chemical cross-linking processes being the cause.Item Open Access Entwicklung eines DNA-Microarrays zur Detektion von Resistenzdeterminanten in Acinetobacter baumannii(2014) Dally, Simon; Rupp, Steffen (PD Dr.)Acinetobacter baumannii ist ein opportunistisch pathogenes Bakterium, welches schwere Infektionen, insbesondere Pneumonie, Sepsis, Harnwegs- oder Wundinfekte, auslösen kann. Es besitzt die Fähigkeit, in beachtlichem Ausmaß, Antibiotika-Resistenzen zu akquirieren, was die Behandlung infizierter Patienten erheblich erschwert. Erst nach der Detektion dieser Resistenzen lässt sich eine gezielte antibiotische Therapie initiieren. In dieser Arbeit wurde ein DNA-Microarray entwickelt, der die Diagnose von Resistenzdeterminanten in A. baumannii ermöglicht. Der Zeitbedarf für die Arrayanalyse lag mit 4 Stunden dabei deutlich unter dem für konventionelle kulturbasierte Methoden. Der neu entworfene Microarray ist mit seinen 370 speziell entwickelten Sonden dazu in der Lage, 91 Zielsequenzen, die mit einer Antibiotika-Resistenz assoziiert sind, nachzuweisen. Die kurze Bearbeitungszeit, die für eine Analyse veranschlagt werden muss, gewährt die schnelle Verfügbarkeit therapierelevanter Resultate. Damit ist eine schnelle Anpassung der Medikation kritisch erkrankter Patienten und konsekutiv eine Verbesserung ihrer Prognose möglich. Auch zur Aufklärung epidemiologischer Fragestellungen könnte der Microarray eingesetzt werden.Item Open Access Entwicklung eines global übertragbaren raumbezogenen Planungsinstruments für das integrierte urbane Wassermanagement(2014) Haller, Birgit E.; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Vor dem Hintergrund globaler Veränderungen in der Wasserwirtschaft wurde in dieser Dissertation ein standortangepasstes Planungsinstrument für eine nachhaltige Wasserver- und Abwasserentsorgung entwickelt. Das GIS-gestützte Bewertungssystem ermöglicht die Potenzialanalyse von siedlungsnahen Flächen für eine integrierte Nutzung der verfügbaren kommunalen Wasserressourcen. Zwei Untersuchungsgebiete in Deutschland dienten der Entwicklung der Analyseprozesse, deren Übertragbarkeit auf andere Regionen wurde im Staat São Paulo / Brasilien untersucht. Zunächst wurde eine Methodik erarbeitet zur regionalen Bewertung der Eignung von Landflächen für die Versickerung von aufbereitetem kommunalem Abwasser oder Regenwasser im Sinne einer gezielten Grundwasseranreicherung (regionale Eignungsanalyse). Dabei wurden Elemente der multikriteriellen Entscheidungsanalyse eingesetzt. Zur quantitativen Abschätzung des Potenzials zur Wasserwiederverwendung wurde eine Methodik zur Erfassung kommunaler Wasserressourcen und des Brauchwasserbedarfs entwickelt (Ertrags-Bedarfs-Analyse). Die Eignungs- sowie die Ertrags-Bedarfs-Analyse münden in standortbezogenen Szenarien der integrierten Wassernutzung.Item Open Access Hydrogelsysteme auf Basis UV-polymerisierbarer Biopolymere für den Aufbau von Gewebemimetika mittels Inkjet-Bioprinting am Beispiel von hyalinem Knorpel(2014) Hoch, Eva; Tovar, Günter (Prof. Dr.)Gegenstand der Arbeit war die Darstellung von Biopolymer-basierten, gewebeähnlichen Hydrogelsystemen und deren Formulierung als Biotinten für das Inkjet-Bioprinting. Dafür wurden zwei Bestandteile der natürlichen extrazellulären Matrix gewählt: Gelatine und Chondroitinsulfat. Beide wurden durch Reaktion mit Methacrylsäureanhydrid derivatisiert. Zur Anpassung der Geleigenschaften an verschiedene native Gewebe durch Variation des Vernetzungsgrades wurden Gelatinederivate mit verschiedenen Methacrylierungsgraden der Aminogruppen erzeugt: Ca. 70 % bis ca. 100 %. Chondroitinsulfat wurde mit einem Methacrylierungsgrad der Disaccharideinheiten von ca. 23 % derivatisiert. Unter Variation des Methacrylierungsgrades sowie des Massenanteiles konnten durch UVA-initiierte Vernetzung in Anwesenheit des Photoinitiators Irgacure® 2959 chemisch stabile Gelatinehydrogele mit großer Variationsbreite ihrer Quellbarkeit (ca. 370 % bis 965 %) und mechanischen Festigkeit (ca. 5 kPa bis 370 kPa) erzeugt werden. Die erreichten Quellbarkeiten und mechanischen Festigkeiten lagen im Bereich verschiedener nativer Weichgewebe. Die Vernetzung mithilfe eines hoch intensiven, fokussierten Laserstrahles im Sinne der Zweiphotonenpolymerisation ermöglichte außerdem die Erzeugung von mikrostrukturierten Gelatinehydrogelen. Gelenkknorpel (hyaliner Knorpel), welcher in der vorliegenden Arbeit als Modellgewebe gewählt wurde, besitzt herausragende Eigenschaften bezüglich seiner Festigkeit und Quellbarkeit. Durch die Integration von Chondroitinsulfat in die Gelatinehydrogele konnten die Geleigenschaften im Hinblick auf die Beschaffenheit von nativem Gelenkknorpel verbessert werden, indem die Quellbarkeit bei gleichbleibender Festigkeit signifikant erhöht wurde. So wiesen beispielsweise 10 Gew.-%-ige Gelatinehydrogele (Methacrylierungsgrad ca. 85 %) einen Speichermodul von ca. 9,8 kPa und eine Quellbarkeit von ca. 660 % auf. Vergleichbare Hybrid-Hydrogele mit Chondroitinsulfat besaßen mit ca. 10,7 kPa einen nahezu unveränderten Speichermodul, wohingegen die Quellbarkeit mit ca. 830 % signifikant höher war. Die physikalischen Eigenschaften der Hybrid-Hydrogele aus Gelatine und Chondroitinsulfat waren damit nativem Gelenkknorpel ähnlicher als die reiner Gelatinehydrogele. Bei der Verkapselung von Chondrozyten in dreidimensionale Gelatine- und Gelatine-Chondroitinsulfat-Hydrogele zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Gelzusammensetzung auf die Morphologie und das Proliferationsverhalten der Zellen. Chondrozyten in Chondroitinsulfat-haltigen Gelen wiesen eine zellarttypische kugelige Morphologie und eine geringe proliferative Aktivität auf. Chondrozyten in reinen Gelatinegelen besaßen vorwiegend eine Fibroblasten-artige Morphologie und eine höhere Proliferationsrate, wie es für dedifferenzierte Chondrozyten typisch ist. Dies deutet darauf hin, dass die dargestellten Chondroitinsulfat-haltigen Hydrogele den Chondrozyten-spezifischen Differenzierungszustand stabilisierten, während reine Gelatinehydrogele dies nicht taten. Im Hinblick auf die Verarbeitung der dargestellten Materialsysteme mittels Inkjet-Druckverfahren wurde die Viskosität der Hydrogelprecursorlösungen untersucht. Lösungen unmodifizierter und niedrig methacrylierter Gelatine mit Massenanteilen >= 10 Gew.-% gelierten bei 25 °C und besaßen selbst bei 37 °C Viskositäten > 10 mPa s, die für kommerzielle Inkjet-Druckköpfe zu hoch sind. Dahingegen wiesen Lösungen hoch methacrylierter Gelatine bei 37 °C und 25 °C bis zu Konzentrationen von 15 Gew.-% Inkjet-druckbare Viskositäten < 10 mPa s auf. Die zusätzliche Acetylierung der Gelatinederivate mit niedrigem Methacrylierungsgrad bewirkte eine Maskierung noch vorhandener freier Aminogruppen, ohne dass sich der Gehalt an vernetzbaren Methacrylgruppen änderte. Durch die daraus resultierende Reduktion der inter- und intramolekularen Wechselwirkungen der Gelatinemakromonomere konnten auch diese Lösungen zu Inkjet-druckbaren Biotinten formuliert werden. Die Doppelfunktionalisierung mit Acetyl- und Methacrylgruppen ermöglichte damit die Formulierung von Gelatine-basierten Inkjet-Biotinten mit einer großen Bandbreite der Quellbarkeit und der Festigkeit der resultierenden Hydrogele. Die dargestellten Materialsysteme wurden als Biotinten mit einem piezoelektrischen Mikrodosiersystem verarbeitet. Dabei konnte bei einer Drucktemperatur von 25 °C ein stabiler Druckprozess etabliert werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine solche Verarbeitung für Chondrozyten zytokompatibel ist. In der vorliegenden Arbeit gelang damit die Formulierung von Biopolymer-basierten Biotinten für das Inkjet-Bioprinting mit lebenden Säugerzellen. Diese Biotinten können zu Hydrogelen vernetzt werden, deren mechanische Eigenschaften verschiedenen nativen Geweben entsprechen. Die dargestellten Materialsysteme besitzen damit ein hohes Potenzial für den Aufbau funktionaler Gewebemodelle, wie zum Beispiel hyaliner Knorpel, mit biomimetischer Kompartimentierung und Mikrostruktur.Item Open Access Sulfonated poly(ether ether ketone) based membranes for direct ethanol fuel cells(2010) Roelofs, Kimball Sebastiaan; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)The decreasing availability of fossil fuels and the increasing impact of greenhouse gases on the environment lead to an extensive development of more efficient or renewable energy sources. The direct alcohol fuel cell (DAFC) as a portable energy source is a promising and fast growing technology which meets these demands. Up to now, methanol is mostly studied as a fuel for these devices, however, applying ethanol has some evident advantages over methanol. The major challenges in direct ethanol fuel cell (DEFC) research on component level are the catalyst development and the electrolyte membrane development. The focus of this thesis lies on the development and characterization of proton conductive membranes for application in direct ethanol fuel cells (DEFC). Sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) based organic-inorganic mixed-matrix membranes are developed and, in addition, the inorganic phase is modified with functional silanes carrying basic groups. The membranes are characterized with respect to fuel crossover, proton conductivity, membrane stability and direct ethanol fuel cell tests.Item Open Access Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PE-CVD) von Multifunktionsschichten aus dem Precursorensystem Hexamethyldisiloxan/Sauerstoff(2016) Baier, Maximilian Paul; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Inhalt der Arbeit ist die Erzeugung von Siliziumoxidschichten mit variablem Kohlenstoffgehalt auf verschiedenen Kunststoff-Substraten. In Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt weisen die Schichten unterschiedliche Eigenschaften auf. Hergestellt wurden sie mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition PE-CVD). Dabei wurden als Substrate Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC) und high density polyethylen (HDPE), letzteres in zwei unterschiedlichen Formen, verwendet. Die drei Materialien wurden in Form von Folien beschichtet. Darüber hinaus wurden HDPE-Kanister mit einem Volumen von 20 L (innen) beschichtet. Für die beiden unterschiedlichen Substratformen wurden Plasmareaktoren entwickelt und dabei vor allem die Führung der Prozessgase beachtet. Darüber hinaus wurde eine Simulation der Gasströme in verschiedenen Reaktorkonfigurationen durchgeführt und eine wirbelfreie Gasführung entwickelt. Der Reaktor zur Beschichtung der HDPE-Kanister ist zweigeteilt in den Kanisterinnenraum und die Umgebung des Kanisters. Die Innenseite sollte beschichtet werden, die Außenseite nicht. Dafür wurden dort zwei separierbare Gasführungen angelegt. Dadurch kann ein Druckgradient (in der Arbeit wurde außen ein höherer Druck erzeugt als innen) zwischen der Umgebung des Kanisters und dem Kanisterinneren aufgebaut werden. Wegen der bei geringerem Druck niedrigeren benötigten Zündspannung kann so das Plasma auf das Innere des Kanisters beschränkt werden. Auf den Substraten wurden folgende Schichteigenschaften untersucht und variiert: Barrierewirkung gegen die Permeation von Sauerstoff und Wasserdampf, die Oberflächenenergie und die Haftung der Schichten auf den unterschiedlichen Substraten. Die Barrierewirkung wurde mit elektrolytischen Messverfahren und dem Kalziumtest untersucht. Dabei konnten mit SiO2-Schichten auf PET-Folien Permeationsraten von 2*10-2 g/(m² d) erreicht werden. Im Kanisterreaktor konnte keine Schicht mit Barrierewirkung hergestellt werden. Die Permeationsraten waren stark abhängig von der Dicke der Barriereschichten und der Dichte der Schichtdefekte. Funktionierende Barriereschichten auf den HDPE-Kanistern ließen sich auf Grund zu hoher Defektdichten nicht herstellen. Die Bildung der Defekte, im wesentlichen Partikel, konnte durch Modifikation der Gaszufuhr, des Drucks, der Elektrodenflächen und durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden während des Plasmaprozesses deutlich reduziert werden. So konnten, abhängig von diesen Einstellungen, im Plasma z. T. sehr dicke Staubfilme (~0,1 mm) oder Schichten mit weniger als 50 Partikeln pro mm² erzeugt werden. Trotzdem war die Defektdichte in den Schichten auf der Innenseite der Kanister einige Größenordnungen höher als in den Schichten auf Folie. Einerseits war in dem Reaktor die Verweildauer der Teilchen höher als im Flachreaktor, so dass sich größere Partikel bilden konnten, andererseits konnte, genau wie im Flachreaktor, nicht die ganze Reaktorwand vor der Abscheidung dieser Partikel geschützt werden. Für die Einstellung der Oberflächenenergie wurden SiOxCy-Schichten hergestellt, die abhängig vom Sauerstoffgehalt im Precursorengas-Gemisch und der ins Plasma eingekoppelten Leistung hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften aufwiesen. Die Haftung der Schichten wurde direkt mit dem Gitterschnitttest und indirekt durch Messung der inneren Verspannung bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die starren SiO2-Schichten stark verspannt waren und im Gitterschnitttest auf PET vollständig versagten (Gitterschnittkennwert 5). Auf den anderen Substraten konnten Gitterschnittkennwerte von 2 erreicht werden. Die Haftung der SiO2-Schichten konnte durch das Abscheiden einer Pufferschicht vor der Abscheidung der SiO2-Schicht verbessert werden.Item Open Access Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Tensidsystemen und fluorierten Polymeren auf Textiloberflächen(2017) Gierling, Eva; Hirth, Thomas (Prof.Dr. rer. nat.)