Mikrogel Synthese: Kinetik, Partikel Formierung und Reaktor Modellierung

  Urheberrecht: © LTT Sigma-Oberfläche eines Übergangzustandes einer NIPAM Polymerisierungsreaktion

Mikrogele sind intramolekular vernetzte Polymerpartikel mit einer großen Bandbreite an möglichen Anwendungsgebieten, die vom Einsatz as Medikamententransportvehikel bis zum Einsatz als Katalysatormatrix reichen. Trotz eines großen Interesses an Mikrogelen, sind die Kinetik und der Mechanismus des Partikelwachstums insbesondere im Umfeld wechselnder Umgebungsbedingungen nicht vollständig verstanden. Die Kombination von rechnergestützten, experimentellen und modellbasierten Methoden wird einen tiefen Einblick in die Thematik ermöglichen. Deshalb untersuchen wir den Mikrogelbildungsmechanismus durch Polymerisierung in der flüssigen Phase zusammen mit unseren Partnern (DWI, AVT.SVT) mittels eines kombinierten Ansatz, der auf Simulationen, Experimenten und Modellen basiert und in dessen Verlauf ein dynamisches, mathematisches Model für die chemische Synthese von poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) und poly(N-vinylcaprolactam) (PVCL) basierten Mikrogelen entwickelt wird.

 

Hier am LTT fokussieren wir uns auf die rechnergestützte Untersuchung der Flüssigphasenreaktionskinetik mittels quantenmechanischen (QM) Methoden und mittels reaktiven molekulardynamischen (MD) Simulationen. Die Große Zahl der in die Mikrogelsynthese involvierten Reaktionen und die wechselnden Reaktionsbedingungen machen eine rein experimentelle Untersuchung äußerst schwierig. Deshalb werden Experimente ideal durch unsere rechnergestützte Untersuchung ergänzt und ermöglichen so ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen. Um die Flüssigphasenreaktionraten zu ermitteln, berechnen wir zunächst die Reaktionraten in der Gasphase, um dann anschließend die Lösungsmitteleffekte mittels Solvations-Modellen wie COSMO-RS zu berücksichtigen.

 

Diese Herangehensweise und die Vielzahl an verschiedenen Methoden erlauben uns Elementarreaktionen und die zugehörigen Reaktionsraten über eine große Breite an Umgebungsbedingungen zu identifizieren, die Relevanz dieser Reaktionen einzuschätzen und das Mikrogelwachstum auf dem atomistischen Level zu verstehen.

 

Diese Forschung ist Teil des Sonderforschungsbereichs "SFB 985 - Funktionelle Mikrogele and Mikrogelsysteme" und unsere Ergebsnisse werden aktiv mit anderen Forschern geteilt.

 

Im Mai 2020 wurde das Projekt um weitere vier Jahre verlängert.

 

Relevante Publikationen

Kröger, Leif C., Wassja A. Kopp, and Kai Leonhard. Prediction of chain propagation rate constants of polymerization reactions in aqueous NIPAM/BIS and VCL/BIS systems. The Journal of Physical Chemistry B 121.13 (2017): 2887-2895.

Janssen, Franca AL, et al. Synthesis of Poly (N-vinylcaprolactam)-Based Microgels by Precipitation Polymerization: Process Modeling and Experimental Validation. Industrial & Engineering Chemistry Research 56.49 (2017): 14545-14556.

Janssen, Franca AL, et al. Kinetic Modeling of Precipitation Terpolymerization for Functional Microgels. Computer Aided Chemical Engineering. Vol. 43. Elsevier, 2018. 109-114.

Brugnoni, Monia, et al. Synthesis and structure of deuterated ultra-low cross-linked poly (N-isopropylacrylamide) microgels. Polymer Chemistry 10.19 (2019): 2397-2405.

Kröger, Leif C., et al. Prediction of Solvation Free Energies of Ionic Solutes in Neutral Solvents. The Journal of Physical Chemistry A 124.20 (2020): 4171-4181.