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Promotion Andreas Schröder (Abstract)

Charakterisierung verschiedener Rußtypen durch systematische statische Gasadsorption
Energetische Heterogenität und Fraktalität der Partikeloberfläche

Für ein tiefergehendes Verständnis der Verstärkungsmechanismen von Füllstoffen in Elastomeren wurde die energetische Heterogenität und die Fraktalität der Partikeloberfläche verschiedener Ruße unterschiedlicher Herstellungsverfahren, variierender Partikelgrößen als auch Aggregatstrukturen, Ruße mit thermischer und chemischer Vorbehandlung und auch Graphitpulver als vergleichende Referenzsubstanz mittels statischer Gasadsorption charakterisiert. Dazu wurde eine volumetrische Gasadsorptionsanlage konstruiert, mit der Adsorptionsisothermen unterschiedlicher Gase von sehr niedrigen Bedeckungen bis in den Multilagenbereich (0,001 < Q < 10) bei variablen Temperaturen bestimmt werden können:

Aus den Adsorptionsisothermen des Ethens von sehr niedrigen Bedeckungen von einer tausendstel Monolage bis hin zur Monolagenbelegung wurden die Energieverteilungsfunktionen der Adsorptionsplätze nach einem analytisch-iterativen Verfahren basierend auf numerischer Integration bestimmt. Für den Furnace-Ruß N220 wird dabei eine breite Energieverteilungsfunktion mit hochenergetischen Adsorptionsplätzen bis zu 40 kJ/mol gefunden. Es können vier Arten von Adsorptionsplätzen unterschieden werden. Die Ergebnisse stimmen mit isosteren Adsorptionswärmen und infrarotspektroskopischen Messungen zur Adsorption von Ethen am Furnace-Ruß N220 überein. Es kann auf eine mit der Molekülachse parallele Ausrichtung des Ethens zu den graphitähnlichen Mikrokristalliten an der Rußoberfläche geschlossen werden. Die untersuchten Rußproben und Graphitpulver zeigen gegenüber dem Ruß N220 signifikante Unterschiede in ihrer energetischen Heterogenität. Bei Furnace-Rußen nimmt die Zahl von hochenergetischen Adsorptionsplätzen mit der Partikelgröße ab. Nach Graphitierung ist die Oberfläche energetisch nahezu homogen. Außerdem konnte durch Vergleich der Energieverteilungsfunktionen verschiedener organischer Messgase eine spezifische Wechselwirkung von pi-Elektronen zur Partikeloberfläche festgestellt werden.

Zur Ermittlung der Rauheit der Oberfläche von Rußen wurden die Gasadsorptionsisothermen einer homologen Reihe organischer Messgase (Methan, Ethan, Propan, iso-Butan) im Monolagenbereich nach der Yardstick-Methode und die Adsorptionsisothermen von Stickstoff im Multilagenbereich nach der Erweiterung der Frenkel-, Halsey-, Hill-Theorie auf raue Oberflächen ausgewertet. Diese zwei neueren theoretischen Konzepte basieren auf der fraktalen Geometrie. Die Rauheit wird mit der oberflächenfraktalen Dimension Ds beschrieben: Ds = 2: glatte Oberfläche; Ds = 3: unendlich raue Oberfläche (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Belegung einer Geraden (oben) und einer Kochkurve (unten) mit kleinen Kugeln und großen Kugeln

Es konnte die Anwendbarkeit der theoretischen Modelle auf reale Adsorptionssysteme bestätigt werden. Nach den Untersuchungen stimmen die Ergebnisse nach der Yardstick-Methode und der Erweiterung der Frenkel-, Halsey-, Hill-Theorie auf fraktale Oberflächen als auch mit unterstützenden Transmissions-Elektronen- und Raster-Kraft-mikroskopischen Untersuchungen überein. Demnach sind alle Original-Furnace-Ruße auf einer Längenskala z < 6 nm mit Ds ~ 2,6 einheitlich rau. Die Graphitierung reduziert die Rauheit im Bereich kleiner Längenskalen z < 0,8 nm auf Ds ~ 2,3.

Unterschiede im Verstärkungsverhalten verschiedener Original-Furnace-Ruße können daher nicht auf unterschiedliche Rauheiten, wohl aber auf eine unterschiedliche Anzahl von hochenergetischen Adsorptionsplätzen zurückgeführt werden.

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