N-Vinylamidderivate zur Synthese neuartiger Kern-Schale-Partikel und Hydrogele

N-Vinylamidderivate sind eine toxikologische unbedenkliche Monomerklasse. Mit diesen Monomeren wurden verschiedene technische Anwendungsgebiete im Bereich der Kern-Schale-Partikel und der fließfähigen und vernetzten Hydrogele untersucht. Kern-Schale-Partikel Für die Synthese von Kern-Schale-Partikeln wurden die N-Vinylamidderivate als Schalenpolymere auf kommerziellen Poly(styrol-stat.-butadien)-Kernpartikeln aufpolymerisiert. Mit Hilfe verschiedener Untersuchungsmethoden (DLS, SEM, FFF, Ultrazentrifuge) wurde die Kern-Schale-Strukturbildung und die Effizienz der Pfropfungsreaktion untersucht und eine erfolgreiche Synthese der Kern-Schale-Partikel belegt. Durch die gezielte Modifizierung des Schalenpolymers wurde ein kationisches, organisches Mikropartikelsystem entwickelt, charakterisiert und auf die Eignung als „Duales Flockungsmittel“ untersucht. Diese Versuche belegten die Eignung der modifizierten Kern-Schale-Partikel als „Duales Flockungsmittel“ und bieten eine Alternative zu kommerziell verwendeten Retentionsmitteln. Außerdem wurden die filmbildenden Eigenschaften der Poly(N﷓vinylformamid)-Kern-Schale-Dispersionen untersucht. Nach der Verfilmung der Dispersionen wurden transparente und harte Filme erhalten. Die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Filme wurden durch die Variation verschiedener Parameter eingehend studiert. Auf der Basis dieser Partikel wurden selbstvernetzende Dispersionssysteme entwickelt. Das P﷓(VFA)-Schalenpolymer wurde teilweise hydrolysiert und die generierten freien Aminogruppen des Poly(N-vinylamins) durch eine Michael-Addition mit einem divinylfunktionalisierten Acrylat (Tetraethylenglykoldiacrylat) vernetzt. Untersuchungen zur mechanischen Beständigkeit der Filme zeigten bei geringen Vernetzungsgraden eine deutliche Optimierung der maximalen Zugbelastungen. Die Untersuchungen belegten, dass die Verwendung des selbstvernetzenden Dispersionssystems als Dispersion für eine Polymerbeschichtung möglich ist. Hydrogele Die Synthese von fließfähigen und quervernetzten Hydrogelen erfolgte auf der Basis verschiedener N﷓Vinylamide. Mit Hilfe geeigneter Vernetzer wurden feste Hydrogelplatten synthetisiert und für die Auftrennung von DNA-Sequenzen mit Hilfe der Gelelektrophorese verwendet. Scharfe und gute Auftrennung der verschiedenen „DNA-Ladder Standards“ wurden durch die Variation des Vernetzeranteils, der Polymerzusammensetzung, der angelegten Spannung und der Verweilzeit in der Gelelektrophoresekammer mit P﷓(MNVA)-Hydrogelplatten erreicht. Fließfähige und quervernetzte Elektrolytgele auf Poly-(N-vinylamid)-Basis wurden in wartungsfreien pH﷓Elektroden eingesetzt. Die Eignung dieser Hydrogele wurden in Bezug auf die Anwendung eingehend charakterisiert. Elektroden befüllt mit Poly(N-vinylamid)-Gelen wurden in Dauerbelastungsexperimenten, direkt mit kommerziellen pH﷓Elektroden verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die fließfähigen und quervernetzten Poly-(N-vinylamid)-Elektrolytgele in ihren Messeigenschaften gleichwertige bzw. bessere Potentialstabilitäten aufweisen als kommerzielle Referenzelektroden. Die Hydrogele auf Basis von Poly(N-vinylamidderivaten) boten für die beiden getesteten Anwendungen eine toxikologisch unbedenkliche Alternative zu Poly(acrylamid)-Gelen. In dieser Arbeit konnten die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass N﷓Vinylamide eine attraktive Monomerklasse ist, die erfolgreich in vielen technischen Anwendungen einsetzbar ist.

N-vinylamide derivatives are a class of nontoxic monomers. In this study, N-Vinylamide based polymers were used to synthesize novel core-shell-particles and hydrogels, which were used in various applications. Core-shell-Particles For the synthesis of novel core-shell-particles, N-Vinylamide derivatives were grafted onto poly(styrene-stat.-butadiene)-core particles. DLS, SEM, FFF and an ultracentrifuge proved the successful synthesis of the core-shell-structure. After specifically modifying the shell polymer, an organic cationic microparticle system was developed, characterized and tested successfully for its suitability as dual flocculant agent in the paper making process. These experiments demonstrated that modified core- shell-polymers are a potential alternative to commercially available retention agents. Further experiments investigated the film-forming properties of the poly(N-vinylamide)-core-shell-particles which yielded films with high transparency and durability. The effect of the presence of poly(N-vinylamide)-core-shell-particles on the mechanical properties of these films was examined using various parameters. Also, a self-crosslinking dispersion system based on the poly(N-vinylamide)-core-shell-particles was designed. The partial hydrolysis of the polyvinylformamide shell-polymer generated free amino group on the surface of the core-shell particles which were then inter- crosslinked using divinely- functionalized acrylate through Michael addition. Studies on these films revealed excellent mechanic stability as a significant improvement in maximal tensile load at lower degrees of crosslinking. These experiments validated the potential use of self-crosslinking dispersion system based on the poly(N-vinylamide)-core-shell-particles as polymer coatings. Hydrogels Free flowing and crosslinked N-vinylamide-hydrogels were synthesized by free radical polymerization. Crosslinked hydrogel plates were used for gel electrophoresis of DNA sequences. The separation of DNA ladder standards (which displays DNA bands of various sizes) was optimized by varying the extend of crosslinkage, the voltage applied to the system and holding period in the electrophoresis chamber. Finally, free flowing and crosslinked poly(N-vinylamide)-electrolyte hydrogels were used in maintenance-free pH-electrodes and their suitability for this purpose was thoroughly investigated. Electrodes loaded with poly(N-vinylamide)-electrolyte hydrogels were compared with commercial pH-electrodes in permanent durability experiments. The electrodes filled with poly(N-vinylamide)-electrolyte gels showed equivalent and respectively better measuring properties than the commercial reference electrodes. For both of the above applications the poly(N-vinylamide)-hydrogels offer a non- toxic alternative to polyacrylamide hydrogels. This study demonstrates that N-vinylamide derivatives are a very attractive class of monomers, which has great potential in various analytical as well as technical applications.