Elastomere kolloidale Kristalle aus hart-weichen Kern-Mantel-Latices

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vollständigen Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung von polymeren Formkörpern mit kolloidal-kristalliner Ordnungsstruktur von der Synthese bis zur Verarbeitung. Durch mehrstufige Emulsionspolymerisation wurden monodisperse Latexpartikeln (Durchmesser 200- 400 nm) mit einem Kern aus Polystyrol und einem Mantel aus Polyethylacrylat synthetisiert. Der Polystyrolkern wurde hochgradig vernetzt und der Polyethylacrylatmantel über eine polymere Zwischenschicht auf den Kern aufgepfropft. Wenn die Masse dieser Kernmantel-Latexkugeln bei erhöhter Temperatur durch uniaxiale Kompression der Polymerschmelze zu Latexfilmen verpreßt wird, formen die Polystyrolkerne in der Matrix der verfilmten Polyethylacrylatmäntel ein kolloidal-kristallines Gitter mit kubisch-flächenzentrierter (fcc) Ordnung nach einem neuen Mechanismus der Selbstorganisation. Diese Struktur entspricht dem Opal, der als Halbedelstein bekannt ist. Mit Transmissionselektronenmikroskopie wurde die Güte des Gitters charakterisiert, wobei sich herausstellte, daß die hexagonal dichtest gepackte (111)-Ebene stets parallel zur Oberfläche der Latexfilme liegt. Durch Bragg-Streuung mit sichtbarem Licht entstehen winkelabhängige Farben in Reflektion und die komplementären Farben in Transmission. Der Farbbereich kann über die Partikelgröße, die Streuintensität über den optischen Kontrast von Kern und Mantel der Kugeln eingestellt werden. Die Latexfilme sind gummielastisch und können reversibel verformt werden, wobei das Gitter ebenfalls verformt wird, so daß sich die Reflektionswellenlängen verschieben. Durch Streuung an der im Film schräg liegenden (220)-Ebene entsteht in Reflektion ein sternförmiges Farbmuster mit einer radialen, 6-zähligen Symmetrie. Dieses Phänomen beweist die makroskopische dreidimensionale Orientierung des fcc-Gitters in radialer Richtung, die aus Zwillings-Einkristallen besteht. Diese großflächige Ausrichtung des Gitters wird im Schmelzefluß induziert. Die Latexfilme können mit herkömmlichen Thermoplasten wie Polycarbonat zu stabilen Verbundmaterialien mit Effektfarben laminiert werden, die durch Thermoformen zu Formkörpern mit beliebiger Gestalt weiterverarbeitet werden können. Aus ähnlichen Kern-Mantel-Partikeln mit einem besonders dünnen Mantel aus Polyethylacrylat wurden weiterhin kolloidale Kristalle nach der herkömmlichen Methode des kontrollierten Dispersionstrocknens hergestellt. Wegen des dünnen Elastomermantels verschmelzen die Partikeln an ihren Berührungspunkten, ohne das Zwickelvolumen vollständig zu füllen, so daß dieses als Reaktionsraum zur Bildung von Titandioxid genutzt werden kann. Werden die Polymerpartikeln anschließend entfernt, entsteht eine poröse Titandioxidstruktur aus periodisch angeordneten Hohlräumen entsteht, die durch Kanäle miteinander verbunden sind. Diese kokontinuierliche Struktur, die auch als inverser Opal bezeichnet wird, zeichnet sich durch einen hohen Brechungsindexkontrast aus. Sie eröffnet einen Zugang zu photonischen Kristallen mit vollständiger Bandlücke