Anisotrope Kolloide aus flüssigkristallinen Polymeren

In dieser Arbeit wird die Synthese, Charakterisierung und Manipulation anisotroper Kolloide aus flüssigkristallinen Polymeren beschrieben. Um Kolloide verschiedener Größe und aus verschiedenen Polymeren zu erhalten, wurden verschiedene Techniken verwendet. Einerseits wurden Kolloide aus nematischen und smektischen Polymeren mit Durchmessern meist im Bereich von 0,5 bis 3,5 Mikrometern hergestellt. Dazu wurden 16 verschiedene Acrylat- und Methacrylatmonomere synthetisiert und mittels Dispersionspolymerisation polymerisiert. Durch Variation der Polymerisationsbedingungen wurden Kolloide verschiedener Größe und Polydispersität erhalten. Durch Saatpolymerisation konnten zudem die Kugelgrößen bei gleichbleibend geringer Polydispersität erhöht werden. Polarisationsmikroskopie zeigt, dass die meisten Kolloide mit einer Größe zwischen ca. 2 bis 4 Mikrometern eine bipolare Direktorkonfiguration haben. Einige dieser Kolloide wurden mit einer optischen Pinzette mit zirkular polarisiertem Licht eingefangen und rotiert. Zum anderen wurden verschiedene flüssigkristalline Polymere (Polysiloxane, Hauptkettenpolymere und Polyacrylate) durch den Miniemulsionsprozess in Kolloide mit Durchmessern im Bereich von ca. 50 bis 300 nm überführt. Durch Variation der Emulgator- und Polymermenge sowie der Art des Emulgators konnte die Kugelgröße beeinflusst werden. Für die Polysiloxankolloide erfolgte die Aufklärung ihrer inneren Struktur mittels TEM und Kryo-TEM, da durch das Silizium im Polymerrückgrat ohne zusätzliches Anfärben ein Kontrast vorhanden ist. Die TEM-Aufnahmen zeigen deutlich die smektische Schichtstruktur innerhalb der Kolloide aus „verdünnten“ Copolysiloxanen und sind somit der erste direkte Beweis für die Mikrophasenseparation zwischen den Mesogenen und Polysiloxanketten, die bisher basierend auf Röntgenmessungen nur indirekt vorhergesagt wurde. Für die Copolysiloxane mit 2-Ring-Mesogenen wurden zwiebelartige Strukturen und für die Copolysiloxane mit 3-Ring-Mesogenen parallele Schichtstrukturen gefunden. Im ersten Fall folgt die smektische Schichtstruktur der Kugelsymmetrie des Kolloids, im zweiten Fall dominiert die Tendenz der smektischen Schichten, sich parallel anzuordnen.

In this work the synthesis, characterization and manipulation of anisotropic colloids of liquid-crystalline polymers is described. In order to get colloids of different size and polymers, different preparation methods were used. On the one hand, colloids of nematic and smectic polymers with diameters mostly in the range of about 0.5 to 3.5 micrometers were prepared. For this purpose 16 different acrylate and methacrylate monomers were synthesized and polymerized by dispersion polymerization. By variation of the polymerization conditions colloids of different size and polydispersity were obtained. Additionally the colloid sizes were increased by seed polymerization, whereas the polydispersity stayed low. Polarizing microscopy shows that most of the colloids of a size between about 2 to 4 micrometers have a bipolar director configuration. Some of these colloids were trapped and rotated with an optical tweezers setup with circularly polarized light. On the other hand, different LC polymers (polysiloxanes, main chain polymers and polyacrylates) were transferred into colloids with diameters in the range of about 50 to 300 nm by the miniemulsion process. By variation of the amount of emulsifier and polymer and the type of surfactant the colloid size could be influenced. The inner structure of the unstained polysiloxane colloids was investigated by TEM and cryo-TEM, as there is a contrast due to the silicone in the polymer backbone. These TEM measurements clearly show the smectic layer structure within these colloids from “diluted” copolysiloxanes and are therefore the first direct proof for the microphase separation between mesogens and polysiloxane chains. Up to now this separation was only indirectly predicted by X-ray experiments. For the copolysiloxanes containing 2-ring mesogens onion like structures and for the copolysiloxanes containing 3-ring mesogens parallel layer structures were found. In the first case the smectic layer structure follows the spherical symmetry of the colloid. In the second case the parallel ordering of the smectic layers dominates.