Vom Single-Source-Precursor zu organisch modifizierten Al2O3/SiO2-Mischoxiden

Abstract

Aus einem neuartigen Single-Source-Precursor, bestehend aus dem substituierten [beta]-Diketon 3-(1'-Oxoethyl)-6-trimethoxysilylhexan-2-on (OTH-H) und Aluminium-tri-sekbutoxid, wurden organisch modifizierte Al2O3/SiO2-Mischoxide produziert. Es erfolgte eine umfassende Charakterisierung der Materialien mittels NMR, MAS-NMR, IR-Spektroskopie und Röntgenkleinwinkelstreuung, wobei besonderes Interesse dem Erhalt der Struktur des Single-Source Precursors im Material und der Entstehung des Gelnetzwerks galt.<br />Mittels NMR,MAS-NMR und IR-Spektroskopie wurde gezeigt, dass Aluminium-tri-sekbutoxid eine fast vollständige Zersetzung des substituierten [beta]-Diketon in die Zersetzungsprodukte 6-(Trimethoxysilyl)-2-hexanon und Essigsäurebutylester bewirkt.<br />2-Butanol oder ein Überschuss an OTH-H bewirkt ein Aussetzen der Zersetzungsreaktion. Aus diesen Erkenntnissen heraus wurden Materialien nach zwei verschiedenen Arbeitsvorschriften hergestellt, wobei sich diese jediglich in der Umsetzungsreihenfolge unterschieden. Bei einer Serie wurde Aluminium-tri-sek-butoxid zuerst mit OTH-H umgesetzt und danach weiterverarbeitet, bei der anderen erfolgte zuvor ein Lösen des Aluminiumalkoxids in 2-Butanol und danach der Umsatz mit dem Chelatliganden OTH-H. Zur Hydrolyse wurde generell eine 0,01 molare Ammoniumhydroxidlösung eingesetzt. Mittels MAS-NMR und IR-spektroskopischen Untersuchungen sowohl an den nassen Gelen als auch an den Endmaterialien wurde belegt, dass sich diese beiden Serien in der chemischen Zusammensetzung unterschieden. In den Aero- und Xerogelen der Serie mit gelösten Aluminium-tri-sek-butoxid wurde kein Zersetzungsprodukt 6-(Trimethoxysilyl)-2-hexanon nachgewiesen.<br />SAXS-Untersuchungen an nassen Gelen zeigten, dass der strukturelle Aufbau der beiden Serien zumindest bei äquimolaren Mischungen (Aluminium-tri-sek-butoxid/OTH-H) ident ist. Anhand von zeitaufgelösten SAXS-Experimenten wurde der Verlauf der Gelbildung und der Alterungsprozesse verschiedener Gelzusammensetzungen verfolgt. Die fraktale Dimension der entstandenen Gelnetzwerke umfassen einen Wertebereich von 2,3 bis 2,7. Im Zuge der Alterungsprozesse steigerte sich die fraktale Dimension bei allen Gelen auf 3 und bleibt auch im getrockneten Endmaterial, Aero- bzw. Xerogel, erhalten. Aufgrund des hohen D-Werts wird dem Netzwerkswachstum anfangs ein Cluster-Cluster-Aggregationsmechanismus zugeschrieben der während der Alterung in einen Cluster-Partikel-Aggregationsmechanismus übergeht.<br />Mittels SAXS wurden auch Netzwerksänderungen durch die Erhöhung des Siliziumanteils in Form von OTH-H oder TEOS untersucht.