69 results on '"Rätzke, Klaus"'
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52. Highly Cooperative and Defect-Assisted Diffusion in Metallic Glasses
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Faupel, Franz, primary, Rätzke, Klaus, additional, and Hüppe, P.W., additional
- Published
- 1993
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53. Free volume distribution at the Teflon AF®/silicon interfaces probed by a slow positron beam
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Harms, Stephan, Rätzke, Klaus, Zaporojtchenko, Vladimir, Faupel, Franz, Egger, Werner, and Ravelli, Luca
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SILICON , *POSITRON beams , *POLYTEF , *POSITRON annihilation , *PARTICLE size distribution , *MOLECULAR weights , *SOLVENTS , *THERMAL analysis , *CHEMICAL processes - Abstract
Abstract: We performed positron annihilation lifetime spectroscopy experiments at Teflon AF®/silicon interfaces as function of the positron implantation energy to determine the free volume hole size distribution in the interfacial region and to investigate the width of the interphase. While no interphase was detected in very short chained solvent-free, thermally evaporated Teflon AF®, an interphase of some tens of nm in extension was observed for high molecular weight spin-coated Teflon AF® films. Influences of the native oxide layer on the data evaluation could be ruled out. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
- Published
- 2011
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54. Recent Developments in High-Performance Membranes for CO 2 Separation.
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Tong, Zi, Sekizkardes, Ali K., and Rätzke, Klaus
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CARBON dioxide ,POLYMERIC membranes ,MICROPOROSITY ,POLYMER blends ,LIQUID membranes ,METAL-organic frameworks - Abstract
In this perspective article, we provide a detailed outlook on recent developments of high-performance membranes used in CO
2 separation applications. A wide range of membrane materials including polymers of intrinsic microporosity, thermally rearranged polymers, metal–organic framework membranes, poly ionic liquid membranes, and facilitated transport membranes were surveyed from the recent literature. In addition, mixed matrix and polymer blend membranes were covered. The CO2 separation performance, as well as other membrane properties such as film flexibility, processibility, aging, and plasticization, were analyzed. [ABSTRACT FROM AUTHOR]- Published
- 2021
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55. Subnanometre size free volumes in amorphous Verapamil hydrochloride: A positron lifetime and PVT study through T g in comparison with dielectric relaxation spectroscopy
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Dlubek, Günter, Shaikh, Muhammad Q., Rätzke, Klaus, Pionteck, Jürgen, Paluch, Marian, and Faupel, Franz
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VERAPAMIL , *DIELECTRIC relaxation , *SPECTRUM analysis , *POSITRON annihilation , *DRUGS , *AMORPHOUS substances - Abstract
Abstract: Positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS), a method well established for the study of polymers, is employed to characterize the temperature dependence of the free volume through T g in the amorphous pharmaceutical Verapamil hydrochloride. From the PALS spectra analyzed with the routine LifeTime9.0 the size (volume) distribution of local free volumes (subnanometre-size holes), its mean, , and mean dispersion, σ h, were calculated. A comparison with the macroscopic volume from PVT-experiments delivered the hole density and the hole free volume fraction and in that way a complete characterization of the free volume microstructure. These data are used in correlation with structural (α-) relaxation data from broad-band dielectric spectroscopy in terms of the Cohen–Turnbull free volume model. An extension of this model, distinctions in the free volume behaviour of the glassy and supercooled-liquid state and different ways of extrapolating the equilibrium part of the free volume into the temperature range of the glass are discussed. The potential of the PALS method for the study of pharmaceuticals is briefly reviewed and some recently developed applications (analysis of density fluctuations) are illuminated. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
- Published
- 2010
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56. Decoupling of Component Diffusion in a Glass-Forming Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5 Melt Far above the Liquidus Temperature.
- Author
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Basuki, Sri Wahyuni, Bartsch, Alexander, Fan Yang, Rätzke, Klaus, Meyer, Andreas, and Faupel, Franz
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MATHEMATICAL decoupling , *RADIOACTIVE tracers , *LIQUIDUS temperature , *QUASIELASTIC neutron scattering , *METALLIC glasses - Abstract
We report Zr95 and 57Co radiotracer diffusivities and viscosity data in the equilibrium liquid state of a bulk metallic glass forming Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5 melt (Vitreloy 4) far above the liquidus temperature Tl that are not affected by convection, as evidenced via quasielastic neutron scattering. Zr diffusion is strongly decoupled from diffusion of the smaller components by more than a factor of 4 at Tl, although it obeys the Stokes-Einstein equation. The results suggest that, in the present Zr-based metallic glass forming systems, diffusion and viscous flow start to develop solidlike, i.e., energy-landscape-controlled, features already in the stable liquid state more than 300 K above the mode coupling temperature Tc. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
- Published
- 2014
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57. Silver diffusion in Fe40Ni38Mo4B18 metallic glass under high vacuum
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Lenser, Sabine, Sundar Daniel, B.S., Zöllmer, Volker, Erichsen, Jörn, Rätzke, Klaus, Deki, Shigehito, and Faupel, Franz
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DIFFUSION , *DISPERSION (Chemistry) , *METALLIC glasses - Abstract
In order to ascertain reports on unexpected dispersion of noble metals in Fe40Ni38Mo4B18 glass the diffusion behaviour of 110mAg was studied by the radio-tracer technique. Silver did not show a clear penetration profile in high vacuum, confirming the crucial role of the annealing atmosphere. [Copyright &y& Elsevier]
- Published
- 2003
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58. Methodological Reduction of Magnetically Induced Noise in Magnetic Multilayers for Sensor Applications
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Jovičević Klug, Matic, McCord, Jeffrey, Quandt, Eckhard, and Rätzke, Klaus
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doctoral thesis ,Abschlussarbeit ,magnetoelektrische Sensoren, Magnetometer, biomagnetische Abtastung, magnetisches Rauschen, magnetische Domänen, magneto-optischer Kerreffekt, mehrschichtige magnetische Dünnschichten, Exchange Bias, antiparalleles Exchange Bias, Dünnschichtkantenstrukturierung ,magnetoelectric sensors, magnetometers, biomagnetic sensing, magnetic noise, magnetic domains, magneto-optical Kerr effect, multilayer magnetic thin films, exchange bias, antiparallel exchange bias, thin film edge patterning ,ddc:620 ,ddc:6XX - Abstract
Current composite magnetoelectric (ME) sensors of cantilever design have shown promising properties and positive tendencies toward sensor applications in biomagnetic sensing. Despite great signal performance, the sensors have limitations, resulting from noise generated by the magnetic phase. The magnetically induced noise dominates the sensors performance even further when low frequency signals are probed, using magnetic frequency conversion (MFC). The work orients around this specific impediment and provides various techniques to suppress the noise sources, originating from the magnetic phase. In the beginning, the work reviews the effectiveness of multilayer exchange bias (EB) systems that were used to reduce magnetic noise. An improvement of the system is introduced that allowed increased signal yield. However, the noise response could not be improved. For this reason, a new magnetic multilayer system dubbed antiparallel exchange bias (APEB) is introduced, which is formed with a specialized post-production heating scheme. The developed coupling allows formation of a stable magnetic configuration, leading to a significant reduction of the magnetic noise. Incorporated into the ME sensors, the APEB yields improvement in their limit of detection (LOD) and reproducibility of their sensing properties. The sensors were characterized electrically as well as magnetically using magneto-optical Kerr effect microscopy. In their finalized form, the sensors exhibit a significantly decreased noise behavior, demonstrating a voltage noise threshold below 10-7 V/Hz1/2 at optimal working parameters at 10 Hz during MFC operation. The sensors demonstrate more than two orders of magnitude and one order of magnitude lower noise level in comparison to conventional single layer sensors and multilayer exchange biased sensors respectively. The sensors demonstrate noise limitations only by the thermo-mechanical noise level with application of MFC. Thickness increase of individual ferromagnetic layers and variation of anisotropy alignment was performed to counteract the reduction of the signal output, whilst upholding the low noise behavior. The new sensors with a total ferromagnetic thickness of 4 µm provided an LOD of 50 pT/Hz1/2 at 10 Hz. Within this work also MOKE analysis of sensor behavior during electrical excitation was performed. The effect and mechanism of the electrical excitation on the domain construct is investigated for single layer as well as multilayer (AP)EB systems. Preliminary measurements of such sensors already indicated an LOD of 30 pT/Hz1/2 at 10 Hz. The final part of the dissertation revolves around the minimization of edge effects that plague the sensor designs and form a major noise source in the magnetic phase. To circumvent this effect, an investigation of various patterned edges was employed in order to induce the stress effect complementary to the desired magnetic anisotropy direction. In conclusion, this work provides significant research in the field of magnetic domain manipulation and magnetic domain stabilization that is not limited in applicability to ME sensors. It spans also to other sensors that utilize magnetic layers for the sensing of magnetic fields. Furthermore, the newly developed concepts could be implemented into other devices utilizing magnetic thin film components such as energy harvesters, magnetic shielding and magnetic recordings. Gegenwärtige magnetoelektrische (ME) Kompositsensoren, die auf einem Biegebalkendesign beruhen, besitzen vielversprechende Eigenschaften bezüglich der Anwendung als Magnetfeldsensor zur Detektion biomagnetischer Signale. Trotz der hohen Signalamplitude weisen diese Sensoren Einschränkungen auf, die auf von der ferromagnetischen Phase erzeugten Rauschbeiträgen beruhen. Diese magnetisch induzierten Rauschbeiträge dominieren die Sensorleistung, insbesondere wenn Niederfrequenzsignale mit der sogenannten magnetischen Frequenzumwandlung (MFC) abgetastet werden. Der Fokus der Arbeit liegt daher auf diesem spezifischen Problem, und es werden verschiedene Techniken aufgezeigt, um die von der magnetischen Phase herrührenden Rauschquellen zu unterdrücken. Zu Beginn der Arbeit wurde die Wirksamkeit von mehrschichtigen Exchange-Bias (EB) Systemen untersucht, die bereits zur Reduktion des magnetischen Rauschens eingesetzt werden. Durch eine Verbesserung des Systems konnte eine erhöhte Signalausbeute ermöglicht, jedoch das Rauschverhalten nicht verbessert werden. Aus diesem Grund wurde ein magnetisches Mehrschichtsystem, "Antiparallel Exchange Bias" (APEB), eingeführt. Das neue System wird mittels einer speziellen Temperaturnachbehandlung hergestellt. Das neu entwickelte Kopplungsschema ermöglicht die Bildung einer stabilen magnetischen Konfiguration, welche zu einer signifikanten Reduzierung des magnetischen Rauschens führt. Zusätzlich verbessert das APEB die Nachweisgrenze (LOD) und die Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften. Die Charakterisierung der Sensoren wurden sowohl elektrisch als auch magnetisch mittels magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) Mikroskopie durchgeführt. In ihrer endgültigen Form zeigen die Sensoren ein signifikant verringertes Rauschverhalten unter 10- 7 V/Hz1/2 bei 10 Hz bei optimalen Arbeitsparametern während der Anwendung von MFC. Die Sensoren weisen damit einen mehr als zwei Größenordnungen bzw. eine Größen-ordnung niedrigeren Rauschpegel im Vergleich zu herkömmlichen Einzelschicht-sensoren bzw. herkömmlichen mehrschichtigen EB Sensoren auf. Die Performance der Sensoren ist damit auch bei der Verwendung von MFC nur durch das thermomechanische Rauschen begrenzt. Eine Erhöhung der Schichtdicke der einzelnen ferromagnetischen Schichten sowie eine Variation der magnetischen Anisotropieausrichtung wurden durchgeführt, um der einhergehenden Verringerung der Signalamplitude entgegenzuwirken und dabei trotzdem das rauscharme Verhalten beizubehalten. Die Sensoren mit einer ferromagnetischen Gesamtdicke von 4 µm und angeregt mit MFC lieferten ein LOD von 50 pT/Hz1/2 bei 10 Hz. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zusätzliche MOKE-Analysen des Sensorverhaltens während elektrischer Modulation durchgeführt. Der Effekt und Mechanismus der elektrischen Anregung auf das Domänenverhalten wurden sowohl für Einzelschicht-systeme als auch für mehrschichtige EB-Systeme untersucht. Für diese Anregungsmethode wurden auch spezielle APEB Sensoren entwickelt. Vorläufige Messungen der Sensoren zeigten bereits ein LOD von 30 pT/Hz1/2 bei 10 Hz. Der letzte Teil der Dissertation befasst sich mit der Minimierung von Randeffekten, die die Hauptstörquellen in der magnetischen Phase bilden. Um diese Effekte zu umgehen, wurde eine Untersuchung verschiedener Kantenstrukturen zur Induktion des Spannungseffektes komplementär zur gewünschten Anisotropieausrichtung durchgeführt. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der magnetischen Domänenmanipulation und Domänenstabilisierung, die nicht nur auf ME-Sensoren anwendbar ist, sondern auch auf andere Sensortypen, die Magnetschichten zum Erfassen von Magnetfeldern verwenden. Darüber hinaus könnten die neu entwickelten Konzepte in andere Gebieten implementiert werden, die magnetische Dünnschichtkomponenten verwenden. Dazu gehören sogenannte Energy Harvester, magnetische Abschirmungen und magnetische Datenspeicher.
- Published
- 2019
59. TEM Untersuchungen an neuartigen Materialien für Energieanwendungen
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Neubüser, Gero, Kienle, Lorenz, Rätzke, Klaus, Prof. Dr. Lorenz Kienle, and Prof. Dr. Klaus Rätzke
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HRTEM ,Abschlussarbeit ,Silicon-microwires ,Air-sensitive samples ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,Amorphous silicon ,Silicon-microwires, Silicon-electrode, Amorphous silicon, Spinel-type transition metal oxides, Sulfur-electrode, Cu-In-S phases, Air-sensitive samples, Transmission electron microscopy, HRTEM, in situ TEM ,Cu-In-S phases ,in situ TEM ,Spinel-type transition metal oxides ,doctoral thesis ,Sulfur-electrode ,ddc:620 ,Silicon-electrode ,ddc:6XX ,Transmission electron microscopy - Abstract
Within this dissertation, different promising material systems for battery anodes as well as one for cathodes are being examined by methods of transmission electron microscopy (TEM). In Kiel, a high-capacity battery electrode was developed based on a novel silicon microwire structure. As a part of this work, causes and effects of electrode degradation are being examined. Recent advances are presented which pave the way to the development of more powerful electrodes. Not only crystalline, but also amorphous and porous silicon modifications were considered being synthesized by chemical extraction methods. Further spinel-type transition metal oxides providing a wide variety of applicable compositions were examined. Binary and ternary compounds are being researched and compared with respect to microstructural changes during charging/discharging. As counterpart, a sulfur-based cathode material with a theoretically high capacity are presented. Finally, recently synthesized copper-poor compounds are introduced and analyzed with respect to their ability to perform as photo catalyst to generate hydrogen.
- Published
- 2018
60. Vergleich von konventionellen und super-glasigen Polymeren:molekulare Beweglichkeit, Gastransport und Einfluss von Nanofüllstoffen
- Author
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Konnertz, Nora Magdalena, Schönhals, Andreas, Böhning, Martin, Technische Universität Berlin, Klitzing, Regine von, and Rätzke, Klaus
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ddc:541 - Abstract
In the field of gas separation, polymeric membranes are favorable materials. Polymers are inexpensive compared to ceramics and metals, offer a good processability, and possess the ability to operate at large scale. The most important fact about polymeric membranes is their good selectivity. Nevertheless, most of the polymeric membranes show a strong tendency to physical aging and plasticization, which lead to changes in their performance with time. Up to know, it is not fully understood how these drawbacks are connected to the internal molecular mobility. In this study, a commonly used non-porous polyimide for gas separation applications, Matrimid, was compared to a microporous, high performance polymer, PIM-1. PIMs are Polymers with Intrinsic Microporosity and were firstly introduced by Budd and McKoewn in the early 2000s. PIM-1 was the first synthesized PIM and, even if many more PIMs followed , PIM-1 shows the most promising gas transport properties. The molecular mobility of the solution casted Matrimid and PIM-1 was investigated by Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). For both polymers, one relaxation process, denoted as beta*, and a conductivity contribution were found. Due to a very high activation energy for this beta*–relaxation (86 kJ/mol for PIM-1 and 99 kJ/mol for Matrimid) and the high temperature range where the peak appeared, it was concluded that the beta*–relaxation has to be of cooperative nature. A sandwich like structure, formed by pi−pi–stacking, was assumed. The conductivity, observed for both polymers quite well below their glass transition temperatures, was attributed to the pi−pi–stacked structure as well. One approach to reduce and/or overcome plasticization and physical aging is the incorporation of nanofiller. In this study, PhenethylPOSS was embedded in PIM-1 and Matrimid due to an expected interaction of the phenyl substituents of POSS with the pi–systems of the polymers and thus probably stabilizing the polymer matrix. Therefore, concentrations of 0 to 20 wt% (0 to 40 wt%) were mixed in Matrimid (PIM-1). A miscibility on a molecular level was observed up to 4 wt% for Matrimid, whereas up to 10 wt% for PIM-1. For higher POSS contents, a phase separation was found, while the size and distribution within the polymers strongly differed from one another. Enhanced permeability for PIM-1 and Matrimid was achieved with embedding 1 wt% of POSS. Furthermore, the phase separated Matrimid composites yielded a reduced plasticization effect for CO2. Auf dem Gebiet der Gastrennung sind polymere Membranen favorisierte Materialien, da sie im Vergleich zu Keramiken und Metallen preiswert sind, eine gute Verarbeitbarkeit bieten und eine hohe Selektivität aufweisen. Allerdings zeigt ein Großteil der Polymermembranen eine starke Tendenz zur physikalischen Alterung und/oder Weichmachung, die im Laufe der Zeit zur Änderungen ihrer Permeabilität und/oder Selektivität führen kann. Inwiefern die molekulare Beweglichkeit mit der physikalischen Alterung und der Weichmachung zusammenhängt, ist bis jetzt allerdings noch nicht vollständig verstanden. Diesen Punkt greift diese Arbeit auf, indem ein kommerziell gebräuchliches, nicht-poröses Polyimid für die Gastrennung, Matrimid, mit einem mikroporösen Hochleistungspolymer, PIM-1, verglichen wird. PIMs sind Polymere mit intrinsischer Mikroporösität und wurden erstmals von Budd und McKoewn in den frühen 2000er Jahren vorgestellt. PIM-1 ist das erste synthetisierte PIM und bringt vielversprechende Gastransporteigenschaften mit. Die molekulare Beweglichkeit der gegossenen Matrimid- und PIM-1-Filme wurde mittels Dielektrischer Relaxationsspektroskopie (BDS) untersucht. Für beide Polymere wurde ein Relaxationsprozess, bezeichnet als beta*, und Leitfähigkeit unterhalb der Glasübergangtemperatur gefunden. Die Aktivierungsenergie für diesen beta*–Relaxationsprozess (86 kJ/mol für PIM-1 und 99 kJ/mol für Matrimid) und der Temperaturbereich, in dem der Peak auftrat, waren sehr hoch. Aus diesen Gründen wurde für die beta*–Relaxation von einem kooperativen Prozess ausgegangen. Es wurde eine "sandwichartige" Struktur angenommen, die sich durch pi−pi–Stacking der Polymerketten und/oder -segmenten bildet. Des Weiteren wurde für beide Polymere unterhalb ihrer Glasübergangstemperaturen eine Leitfähigkeit beobachtet, die ebenfalls durch die besondere pi−pi Wechselwirkungen erklärt wurde. Ein Ansatz zur Reduktion und/oder Überwindung von Weichmachung und physikalischer Alterung ist der Einsatz von Nanofillern eingebettet in der Polymermatrix. In dieser Arbeit wurde PhenethylPOSS in PIM-1 und Matrimid gemischt, weil eine Wechselwirkung der Phenylsubstituenten von POSS mit den pi–Systemen der Polymere angenommen wurde und somit die Polymermatrix gegebenenfalls stabilisiert werden kann. Die Konzentrationen wurden von 0 bis 20 Gew.-% für Matrimid (0 bis 40 Gew.-% für PIM-1) variiert. Für Matrimid wurde eine molekulare Mischbarkeit bis zu 4 Gew.-% beobachtet, während bis zu 10 Gew.-% für PIM-1. Bei höheren POSS Konzentrationen kam es zu einer Phasentrennung, während sich die Größe und Verteilung der POSS Agglomerate innerhalb der Polymere stark voneinander unterschieden. Durch Einbringen von 1 Gew.-% POSS in Matrimid und PIM-1 Matrix wurde die Permeabilität deutlich erhöht. Des Weiteren wurde die CO2 Weichmachung in den Matrimid Kompositen reduziert.
- Published
- 2017
61. Weiterentwicklungen am gepulsten Positronenstrahl und ausgewählte Anwendungen an Membranpolymeren
- Author
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Koschine, Tönjes, Rätzke, Klaus, and Dollinger, Günther
- Subjects
Abschlussarbeit ,Positronenstrahl ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,Membranen ,FRM2 ,Polymere ,Nepomuc ,Polymergrenzflächen ,freies Volumen ,doctoral thesis ,Polymernanokomposite ,PALS ,nano ,Positronen ,PLEPS ,ddc:620 ,Positronen, PALS, PLEPS, Membranen, freies Volumen, Polymere, Positronenstrahl, FRM2, Nepomuc, Polymergrenzflächen, Polymernanokomposite, nano ,ddc:6XX - Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der gepulste Positronenstrahl und die zugehörige Ansteuerungselektronik weiterentwickelt, so dass jetzt auch moderne Polymere mit großen freien Volumen untersucht werden können. Diese sind besonders für die Membrantechnologie entscheidend, da sie meist über herausragende Separationseigenschaften verfügen. Einige dieser Systeme wurden zusätzlich in dieser Arbeit untersucht.
- Published
- 2015
62. Free Volume at Polymer-Solid-Interfaces
- Author
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Ohrt, Christian, Rätzke, Klaus, and Adelung, Rainer
- Subjects
Interphase, Polymer-Festkörper-Grenzfläche, Positronenlebenszeitspektroskopie, Positronenstrahl ,Positron beam ,Abschlussarbeit ,Positronenstrahl ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,Positron-Lifetime-Spectroscopy ,Polymer-Solid-Interface ,Interphase, Polymer-Solid-Interface, Positron-Lifetime-Spectroscopy, Positron beam ,doctoral thesis ,Polymer-Festkörper-Grenzfläche ,ddc:620 ,ddc:6XX ,Interphase ,Positronenlebenszeitspektroskopie - Abstract
In dem Teilprojekt “Verteilung des Freien Volumens an Polymer-Festkörper Grenzflächen“ des Schwerpunktprogramms SPP 1369 der „Deutschen Forschungsgemeinschaft“ (DFG) sollten die Eigenschaften von Polymer-Festkörper-Kompositmaterialien untersucht werden. Die veränderten Eigenschaften hängen hierbei von den Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Festkörpern ab. Der Bereich, in dem die Eigenschaften durch die Wechselwirkungen beeinflusst werden, wird in der Regel als „Interphase“ bezeichnet. Bei Polymer-Nanokompositen kann sich diese Interphase aufgrund der großen Oberfläche der Nanopartikel auf die komplette Polymermatrix erstrecken. Bei planaren Polymer-Festkörper-Kontakten hingegen erstreckt sich die Interphase nur wenige Nanometer in die Polymermatrix. Viele Eigenschaften des Polymers hängen vom freien Volumen ab, denn das freie Volumen kann die Anordnung und die Dynamik der Polymerketten beeinflussen. Eine Untersuchungsmethode des freien Volumens stellt die Positronenlebenszeitspektroskopie (PALS) dar. Bei der PALS wird die Lebenszeit von Positronen in einem Probenmaterial gemessen, aus der eine mittlere freie Hohlraumgröße des freien Volumens berechnet werden kann. Außerdem können durch temperaturabhängige Messungen Glastemperaturen von Polymeren bestimmt werden. Mittels dieser Messmethode wurde das freie Volumen Polyethylen-alt-proyplen-Silica-Nanokompositen und Polybutadien-Silica-Nanokompositen untersucht. Hierbei wurde zum einen das Molekulargewicht der Polymere bei einer konstanten Konzentration der Nanopartikel variiert, um den Einfluss von Confinementeffekten auf die Bildung einer Interphase zu untersuchen. Außerdem wurde der Einfluss der Wechselwirkung zwischen Polymer und Festkörper näher untersucht. Jedoch konnte keine Interphase mit veränderten Eigenschaften in den Nanokompositen nachgewiesen werden. Bei planaren Proben hingegen konnte durch tiefenabhängige Positronenstrahluntersuchungen eine Interphase an einer Teflon AF1600-SiN-Grenzfläche mit einer geringeren mittleren Hohlraumgröße bzw. einer höheren Dichte von 5-7% nachgewiesen werden. Durch ein mathematisches Modell konnte die Breite der Interphase auf ca. 12 nm abgeschätzt werden. Bei tiefenabhängigen Bestimmungen von Glastemperaturen an einer Teflon AF1600-Si-Grenzfläche konnte keine Veränderung der Dynamik der Polymerketten im Rahmen der Messgenauigkeit festgestellt werden, obwohl die Polymerketten dichter gepackt sind. Within the sub-projekt „Verteilung des Freien Volumens an Polymer-Festkörper Grenzflächen“ of the Schwerpunktprogramm SPP1369 from the „German Research Foundation” the changed properties of materials involving polymer–solid interfaces were investigated. The changed properties are depending on the interaction between the macromolecules and the solid. The area where the properties are affected by the interaction is called „interphase”. In Polymer-nanocomposites the interphase can range over the whole polymer matrix due to the large surface of the nanoparticles. For planar polymer-solid contacts the chain characteristics can deviate from the bulk on a length-scale of several nanometer in the interphase. Many properties of the polymer depend on the free volume, because the free volume can affect the arrangement or the dynamics of the polymer chains. An analytical method for the investigation of the free volume is the positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS). In PALS the positron lifetime in a sample material is measured, which can be converted with a quantum mechanical model into a mean radius of free volume holes. Besides glass transition temperatures of polymers can be determined with this method. The free volume of polyethylene-alt-proyplene-silica-nanocomposites and polybutadienoxid-silica-nanocomposites was investigated with this method. At this investigation the molecular weight of the polymers was varied, whereat the concentration of the nanoparticle stayed constant, to investigate the influence of confinement effects on the built-up of an interphase. In addition the influence of the interaction between the macromolecules and the solid for the built-up was investigated. However no evidence of an interphase with properties different than the bulk was found. For planar samples the existence of an interphase at a Teflon AF1600-SiN interface with a smaller mean radius of the free volume holes, respectively a higher density of 5-7%, was proven with the help of a focused positron beam. With a mathematical model the width of the interphase could be estimated to be approximately 12 nm. Also depth profiling of the glass transition temperature was done at a Teflon AF1600-Si interface. Although the density was increased in the interphase no change in the dynamics of the polymer chains were found within error bar.
- Published
- 2015
63. Diffusion in Zr-based glass forming melts
- Author
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Basuki, Sri Wahyuni, Rätzke, Klaus, and McCord, Jeffrey
- Subjects
doctoral thesis ,Abschlussarbeit ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,radiotracer diffusion measurement ,glass forming melts ,ddc:500 ,ddc:5XX ,diffusion decoupling ,Zr-based alloys ,glass forming melts, diffusion decoupling, Zr-based alloys, radiotracer diffusion measurement - Abstract
In simple metallic melts, which are supposed to be in equilibrium, dynamic asymmetry and thus large differences in diffusivities of the constituents are not expected. For instance, on the previous investigation in multicomponent Pd-based glass forming melts, diffusivities of all components merge into one single temperature dependence, and the majority component Pd obeys Stokes-Einstein (SE) relation in the whole temperature range; from the stable melt down to the glass transition temperature. It is interesting to check whether these results are generally accepted also for another class of metallic glass formers, e.g. Zr-based glass formers. Therefore, simultaneous radiotracer diffusion experiments of Co-57 and Zr-95 in the melt of multicomponent system,Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5 (Vitreloy 4), and of the simpler systems, Zr64Ni36 , Zr36Ni64 and Zr60Ni25Al15 above their respective liquidus temperature, Tl , are performed. From these experiments, the effects of component complexity on the atomic diffusion in the melt can be understood. Additionally, from the experimental results of the simpler systems, the atomic diffusion in the multicomponent Zr-based systems, as well as the effects of packing density and chemical short range order (CSRO) on the atomic diffusion, can also be explained. The results in multicomponent Vit. 4 melt show that Zr diffusivity differs significantly from the diffusivities of the smaller components by a factor of 4 at its Tl, although it obeys SE relation. On the other hand, the Co and Zr diffusivities ratio in the melt of the simpler Zr-based systems is the same as the component diffusivities ratio in simple metallic and Pd-based melts, although it increases sequentially from Zr64Ni36 to Zr60Ni25Al15 and Zr36Ni64. These results suggest that in multicomponent Vit.4, Zr atoms enter energy-landscape-controlled regime and behave solid-like already at least 150 K above its Tl. Additionally, although the diffusion in the simpler system of Zr-based melts is similar to the simple metallic melts, the results show the effects of packing density and CSRO on the atomic iffusion.
- Published
- 2015
64. Free Volume at Polymer Thin Films, Polymer Solid Interfaces and Nanocomposites
- Author
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Harms, Stephan, Rätzke, Klaus, and Adelung, Rainer
- Subjects
polymers, free volume, interphase, polymer solid contacts PALS, positron lifetime spectroscopy, nanocomposites ,Abschlussarbeit ,Positron Lebenszeit Spektroskopie ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,positron lifetime spectroscopy ,Polymere ,interphase ,polymer solid contacts PALS ,Polymere, freies Volumen, Interphase, Polymer-Festkörper Kontakte, PALS, Positron Lebenszeit Spektroskopie, Nanokomposit ,freies Volumen ,doctoral thesis ,PALS ,Nanokomposit ,nanocomposites ,free volume ,Polymer-Festkörper Kontakte ,ddc:620 ,ddc:6XX ,polymers - Abstract
In dieser Arbeit wurde die Verteilung des freien Volumens an der Polymer/Festkörper-Grenzfläche untersucht. Dazu wurden sowohl dünne Filme als auch ein Polymer-Nanokomposit mittels Positronen-Annihilations-Lebenszeit-Spektroskopie (PALS) gemessen. Die Untersuchung dünner Filme wurde am moderierten Positronenstrahl durchgeführt, der erst seit kurzem an der Positronenquelle des FRM II für den Nutzerbetrieb zur Verfügung steht. Diese Technik erlaubt es, Messungen des freien Volumens mit einer Tiefenauflösung in Nanometer-Bereich vorzunehmen. Die PALS-Strahltechnik wurde neben der Untersuchung der Interphase dazu eingesetzt, das freie Volumen in einer Reihe von dünnen Filmen zu bestimmen. Diese Filme weisen verschiedene Eigenschaften auf, die in Abhängigkei ihres freien Volumens stehen: • Für dünne Hydrogelfilme wird eine Korrelation zwischen dem freien Volumen und dem normierten Schwellvermögen festgestellt. • Bei Messungen an PMMA-Filmen, in denen 40 wt% Azobenzol gelöst ist, weisen eine Änderung des freien Volumens beim optischen Schalten vom trans- in den cis-Zustand auf. Hierbei konnte eine relative Änderung des freien Volumens von etwa 9 % beobachtet werden. • Die physikalische Alterung bei dünnen Membranfilmen ist eine Folge der Reduzierung des freien Volumens. Durch Messungen an Filmen eines Polymers von intrinsischer Mikroporosität (PIM-1) wurde sowohl eine zeitabhängige als auch auch eine tiefenabhängige Verringerung des freien Volumens nachgewiesen. Diese kann quantitativ durch ein Diffusionsmodell beschrieben werden. Das Modell erlaubt eine Vorhersage über das Alterungsverhalten von dünnen Membranfilmen. Zur Untersuchung der Interphase an der Polymer/Festkörper-Grenzfläche wurde ein Referenzsystem von aufgedampftem Teflon AF auf Silicium eingesetzt. Durch dieses System konnte eine konstante Positronien-Bildungswahrscheinlichkeit im gesamten Film nachgewiesen werden. Doppler-Spektroskopie-Messungen an diesem System zeigen eine geringe Positronen-Diffusionslänge in diesem System. Im Gegensatz zu den aufgedampften Proben haben aufgeschleuderte Teflon AF-Filme eine Interphase gezeigt, in der ein geringeres freies Volumen vorliegt. Durch den Vergleich von Proben mit nativer und thermisch erzeugter Siliciumdioxidschicht konnte gezeigt werden, dass die Verringerung der Lebenszeit nicht durch die Positronien-Annihilation in der Oxidschicht verursacht wird. Somit zeigen aufgeschleuderte Teflon AF-Filme zum Silicium-Substrat eine Interphase mit einer höheren Dichte im Vergleich zum Bulk. Die Untersuchung der Interphase wurde auf Polybutadien, das innerhalb des Schwerpunktprogramms gemeinsam verwendete Polymer, ausgeweitet. Die an der Polybutadien/Silicium-Grenzfläche durchgeführten Messungen zeigten ebenfalls einen Abfall des freien Volumens in der Interphase. Die Breite der Interphase kann aus den Messungen an diesem System als wenige 10 nm abgeschätzt werden. Weitere Messungen mit gemeinsamen Proben innerhalb des Schwerpunktprogramms wurden an der Polystyrol/Silicium-Grenzfläche durchgeführt. Auch bei diesem System hat sich eine geringere Lebenszeit in der Interphase gezeigt. Im Isotopenlabor der Technischen Fakultät wurden PALS-Messungen an Nanokompositen aus kurzkettigen Polyethylenpropylen und funktionalisierten Siliciumdioxid-Partikeln durchgeführt. Aus Neutronenstreuexperimenten ist für dieses Modellsystem bekannt, dass sich keine ausgedehnte Interphase bildet. Temperaturabhänige Messungen einer Konzentrationsserie zeigen eine konstante o-Ps-Intensität während sich die Lebenszeit mit dem Anteil an Nanopartikel ändert. Es konnte gezeigt werden, das dieses Verhalten durch eine Ausdiffusion der Positronen aus den Nanokpartikeln auftritt. Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Abtastung des Volumenbereichs in direkter Umgebung der Partikel. Im untersuchten System befindet sich dort die Funktionalisierung der Nanopartikel, die somit verstärkt abgetastet wird. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen des freien Volumens in der Interphase hat für alle betrachteten Systeme ein geringeres freies Volumen an der Grenzfläche des Polymers zum Substrat gezeigt. Für zukünftige Messungen mit der Positronen-Strahltechnik ist die Ausweitung der bei konstanter Temperatur erfolgten Messungen auf eine temperaturabhängie Bestimmung des freien Volumens interessant. Diese Messungen können dazu dienen, Änderungen der Glasübergangstemperatur in der Interphase zu bestimmen.
- Published
- 2012
65. Electrospinning of Poly(acrylonitrile-co-glycidyl methacrylate) Nanofibrous Mats and their Applications
- Author
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Dai, Tianhe, Abetz, Volker, Adelung, Rainer, and Rätzke, Klaus
- Subjects
doctoral thesis ,electrospinning, nanofibrous mat, enzyme immobilization, water filtration ,Abschlussarbeit ,nanofibrous mat ,water filtration ,ddc:540 ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,ddc:5XX ,electrospinning ,enzyme immobilization - Abstract
This Ph.D thesis introduces the fabrication of a novel electrospun nanofibrous mat (ENM) and its applications in three different fields. The fabrication is based on electrospinning of poly(acrylonitrile-co-glycidyl methacrylate) (PANGMA) and the three applications are: application as solvent-resistant nanomembrane, as support for the immobilization of enzyme and as affinity nanofilter for the protein filtration.
- Published
- 2011
66. Free volume and storage stability of one-component epoxy nanocomposites
- Author
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Shaikh, Muhammad Qasim, Rätzke, Klaus, and Jäger, Wolfgang
- Subjects
doctoral thesis ,Abschlussarbeit ,PALS ,nanocomposites ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,positron ,Free volume ,Free volume, positron, PALS, epoxy, nanocomposites ,ddc:620 ,ddc:6XX ,epoxy - Abstract
One-component epoxy formulations consist of epoxy resin, hardener, filler and the accelerator. They are preferred for industrial applications, but unlike two-component epoxy resin systems they have a limited shelf-life due to the presence of the accelerator. As in order to achieve a lower hardening temperature it is necessary to introduce an accelerator in the formulation, which in turn reduces the shelf-life. The accelerator is encapsulated in Zeolite and Nanosilica carriers. These encapsulations, named “NANOMODULES”, have a controlled release of accelerator in the Epoxy-Hardener matrix to increase the shelf life and a reduced hardening temperature. Positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) is used to study the in-situ curing behavior of epoxy resins of DGEBA with a hardener of dicyandiamide (DICY), from the initial viscous state of the formulation to the solid state of cured polymer. Several isothermal measurements were done in the temperature range from 50 °C to 80 °C for the DGEBA-DICY benchmark system. PALS parameters seem to correlate very well with the curing mechanism in the samples. Gelation was observed as an increase in the intensity of ortho-positronium (o-Ps) and a sharp decrease in the lifetime. Change of (o-Ps) lifetime is used as a measure for the degree of curing. Applying the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov approach under reasonable assumptions, these experimentally observed changes could be characterized by determining the growth exponent ‘n’ and reaction constant ‘k’. It is possible to extrapolate the shelf life of one-component epoxy formulation at room temperature. Furthermore, for a selected series of formulations the effect of free accelerator on storage stability is studied in comparison to the accelerator encapsulated in micro and nano-sized Zeolite carrier. A temperature dependence of sub-nanometer level free volume studies on their cured composites indicate no real changes in the glass-transition temperature Tg. Similarly, PALS and JMAK analysis were performed on various one-component formulations, with varying concentrations of accelerator in micro and nano-sized Zeolite and Nanosilica based encapsulations. These results proved helpful in further development and synthesis for “NANOMODULES”, resulting in several one-component formulations with desirable properties. This work was supported by the German Ministry of Education and Research (BMBF), under the Project No.: 03X0026F “NANOMODULE”.
- Published
- 2010
67. Poly (styrene - co - maleic anhydride) and Polystyrene Grafted with Poly(ether amines): Synthesis, Characterization and Gas Separation Performance
- Author
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Rojas, Diógenes, Abetz, Volker, and Rätzke, Klaus
- Subjects
doctoral thesis ,Membrane, Graft-copolymer, Poly(styrene-co-maleic anhidride), Polystyrene, Grafting, Jeffamine ,Abschlussarbeit ,Grafting ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,Jeffamine ,Membrane ,ddc:500 ,ddc:5XX ,Poly(styrene-co-maleic anhidride) ,Graft-copolymer ,Polystyrene - Abstract
The present work highlights the synthesis, characterization and membrane properties of new graft copolymers obtained either by direct amidation of poly(styrene-co-maleic anhydride) or by sulphonation of polystyrene and subsequent amidation with different poly(ether amide)s “jeffamines®” as grafts. These materials were tested as membranes for CO2 and CH4 separation. Firts, direct amidation of poly(styrene-co-maleic anhydride. The characterization results obtained by 1H-NMR, 13C-NMR, GPC, DSC, and TGA demonstrated the successful synthesis of graft copolymers with PEG contents from 5 to 26 wt.% (series-ML,-MM and -MH) using poly(styrene-co-maleic anhydride) and Jeffamine. The graft copolymers' thermal analyses indicated the final products to be amorphous materials with glass transition temperatures decreasing for an increasing content of PEG bonded to the matrix poly(styrene-co-maleic anhydride). A second group of graft copolymers (series GSMA and GPSS) were synthesized by sulfonation of poly(styrene) and poly(styrene-co-maleic anhydride), respectively, and subsequent amidation with Jeffamine. The successful synthesis was proven by elemental analysis (EA), 1H-NMR, GPC, FT-IR, and thermal analyses (DSC and TGA). Polymers of PEG contents up to 35 wt.% with a degree of sulfonation up to 24 wt.% were obtained. An increase of the PEG content in the graft-copolymer lead to a decrease of the glass transition temperature in comparison to the sulphonated polystyrene. Three series of composites membranes with different PEG contents were prepared by casting and their CO2, N2, and CH4 permeabilities as well as their CO2/N2 and CO2/CH4 selectivities were determined. Generally, the overall CO2/N2 and CO2/CH4 selectivity increased with higher poly(ethylene glycol) contents. The membranes made from SMA and Jeffamine (M-2070) (series-MH) with PEG contents of 20 – 26 wt.% exhibited a CO2 permeability of 120 - 280 Barrer and a CO2/N2 selectivity of 34 – 42 at 35°C and 1 atm of feed pressure, which can be regarded as competitive to membranes reported in literature and to the theoretical upper bound limit defined by Freeman´s theory. The high seIectivity of the CO2/N2 pair was explained by the high solubility of CO2 in the PEG. Due to the incorporation of PEG the glass transition temperature decreased, the CO2 permeability increased stronger than the N2 permability, and in consequence the CO2/N2 selectivity was enhanced. In case of the CO2/CH4 pair the selectivity was further influenced by a decrease of the CH4 permeability. Hence, it may be presumed that the transport of CH4 through the membrane is controlled rather by diffusion rather than by solution. The high CO2 permeability can be explained by two concurrent contributions, the solubility and the diffusivity. The solubility of CO2 is higher than that of N2 due to the significant differences in the condensability of both gases. . At the same time, the graft copolymers consisting of flexible and polar poly(ethylene glycol) (PEG) segments are very attractive for the polar CO2 molecules.
- Published
- 2010
68. Diffusion und Viskosität in der Gleichgewichtsschmelze und im unterkühlten Zustand glasbildender Metalllegierungen
- Author
-
Bartsch, Alexander, Rätzke, Klaus, and Meyer, Andreas
- Subjects
Diffusion ,doctoral thesis ,Abschlussarbeit ,Faculty of Engineering ,Technische Fakultät ,metallische Gläser ,Viskosität ,Stokes-Einstein ,Modenkopplung ,Diffusion, Viskosität, metallische Gläser, Stokes-Einstein, Modenkopplung ,ddc:620 ,ddc:6XX - Abstract
Die Diffusion verschiedener Legierungselemente in den metallischen Massivgläsern (BGM) Pd43Cu27Ni10P20 (Pd43) und Zr46,75Ti8,25Cu7,5Ni10Be27,5 (Vit4) wurde gemessen und mit Viskositätsdaten verglichen, um die Gültigkeit der Stokes-Einstein-Beziehung (SE) in BGM zu zeigen. Dies geschah mittels der Radiotracertechnik und über einen Temperaturbereich von der Schmelze bis in die tief unterkühlte Schmelze. In BGM wird die Diffusion in der unterkühlten Schmelze über thermisch aktivierte, kollektive Sprungprozesse getragen, die analog zur Modenkopplungstheorie bei einer kritischen Temperatur TC durch viskose Fließprozesse abgelöst werden. In Pd43 sind in der Schmelze Diffusion und Viskosität bis TC gekoppelt. In der unterkühlten Schmelze wurde die SE für die Pd-Diff. bestätigt. In Vit4 ist die Zr-Diff. nicht wie die Ni-Diff. mit der Viskosität in der Schmelze gekoppelt. Daher wird angenommen, dass ein zweites TC in der Schmelze existiert, bei der sich Diffusion und Viskosität angleichen.
- Published
- 2009
69. Decoupling of component diffusion in a glass-forming Zr(46.75)Ti(8.25)Cu(7.5)Ni(10)Be(27.5) melt far above the liquidus temperature.
- Author
-
Basuki SW, Bartsch A, Yang F, Rätzke K, Meyer A, and Faupel F
- Abstract
We report (95)Zr and (57)Co radiotracer diffusivities and viscosity data in the equilibrium liquid state of a bulk metallic glass forming Zr(46.75)Ti(8.25)Cu(7.5)Ni(10)Be(27.5) melt (Vitreloy 4) far above the liquidus temperature T(l) that are not affected by convection, as evidenced via quasielastic neutron scattering. Zr diffusion is strongly decoupled from diffusion of the smaller components by more than a factor of 4 at T(l), although it obeys the Stokes-Einstein equation. The results suggest that, in the present Zr-based metallic glass forming systems, diffusion and viscous flow start to develop solidlike, i.e., energy-landscape-controlled, features already in the stable liquid state more than 300 K above the mode coupling temperature T(c).
- Published
- 2014
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