Deutsch

Polyacrylsäure-Natriumsalze gehören zu der Gruppe der Polyelektrolyte. Sie werden in technischen Anwendungen als Wasserenthärter, Superabsorber oder als Fällungsmittel für Schwermetalle aus Abwässern eingesetzt. Zudem dienen sie in der Grundlagenforschung als Modellpolyelektrolyte. In der vorliegenden Arbeit werden verdünnte, wässrige Salzlösungen von Polyacrylsäure-Natriumsalzen mittels Streumethoden untersucht um Informationen über den Kollabierungs- und Aggregationsprozess zu erhalten. Durch den Zusatz von Calcium-, Kupfer- oder Bleiionen wird der Kollabierungs- bzw. der Aggregationsprozess gestartet. Die zweiwertigen Kationen werden von den Carboxylgruppen der Polyacrylsäure komplexiert. Dadurch wird die Polyelektrolytkette hydrophober und kollabiert. Das Ausmaβ der Kollabierung steigt mit der Menge der komplexierten Kationen. In Gegenwart von Calciumionen bewirkt eine Temperaturerhöhung eine Verstärkung der Kollabierung. Die globalen Dimensionen der Polyelektrolytketten werden mittels kombinierter statischer und dynamischer Lichtstreuung (SLS und DLS) ermittelt. Anhand der Datensätze aus den kombinierten SLS- und DLS-Experimenten werden Phasendiagramme der Polyacrylsäure-Natriumsalze in Gegenwart von Calcium- und Kupferionen erstellt. An ausgewählten Proben von Polyacrylsäure-Natriumsalzen in Gegenwart von Calciumionen werden temperaturabhängige Neutronenkleinwinkelstreuexperimente (SANS-Experimente) durchgeführt um Informationen über die interne Struktur der kollabierten Polyelektrolytketten zu erhalten. An die experimentellen Streukurven der SANS-Experimente werden theoretische Streukurven von literaturbekannten Modellen mit Hilfe von non linear least squares Rechnungen (NLS-Rechnungen) angepasst. An Polyacrylsäure-Natriumsalzen in Gegenwart von Bleiionen werden Röntgenkleinwinkelstreuexperimente (SAXS-Experimente) durchgeführt. Zur Interpretation dieser Daten wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neues Modell vorgestellt. An die experimentellen SAXS-Streukurven werden sowohl das neu vorgestellte Modell als auch ein literaturbekanntes Modell mit Hilfe von NLS-Rechnungen angepasst. Die Unterschiede zwischen den Modellen und den Ergebnissen der NLS-Anpassungen werden ausführlich diskutiert. Anhand resonanter SAXS-Experimente (ASAXS) kann die räumliche Verteilung der komplexierten Bleiionen experimentell ermittelt werden. Zudem ist es möglich die Anzahl der komplexierten Bleiionen aus den ASAXS-Experimenten zu ermitteln. Mit zeitaufgelöster SLS (TR-SLS) wird das Aggregationsverhalten der Polyacrylsäure-Natriumsalze in Gegenwart von Calcium- und Kupferionen nach dem Überschreiten der Phasengrenze untersucht. Die Streukurven der aggregierenden Polyelektrolytketten werden mit theoretischen Streukurven literaturbekannter Modelle verglichen. Anhand von Skalierungsgesetzen, die die Gröβe der Aggregate in Abhängigkeit von deren Masse angeben, wird der Aggregationsmechanismus analysiert.

English

Polyacrylic acid sodium salts are water soluble polymers and belong to the class of the so-called polyelectrolytes. In technical applications they are used as scale inhibitors, as absorbers and as precipitation agents in waste water treatment. In fundamental research they serve as model polyelectrolytes. In the present work, diluted aqueous solutions of polyacrylic acid sodium salts are investigated by means of scattering methods to gain information about the collapse and aggregation process. Upon addition of small amounts of calcium, copper and lead ions the collapse and aggregation process is initialised. The divalent cations bind specifically to the carboxylic groups. As a result, the polyelectrolyte chains become more hydrophobic and collapse. The extent of the collapse increases with increasing amount of added divalent cations. In the presence of calcium ions, the extent of chain collapse increases with increasing temperature. The overall dimensions of the collapsing chains are determined by means of combined static and dynamic light scattering (SLS and DLS). Phase diagrams are calculated from the data of combined SLS and DLS experiments of polyacrylic acid in the presence of calcium and copper ions. Selected samples of polyacrylic acid in the presence of calcium ions are subdued to temperature dependent small angle neutron scattering (SANS) experiments to gain insight into the internal structure of collapsing chains. With non linear least squares (NLS) methods, theoretical scattering functions are fitted to the experimental data. Solutions of polyacrylic acid in the presence of lead ions are subdued to small angle x-ray scattering (SAXS) experiments. To interpret the data from the SAXS experiments, a new theoretical scattering function is presented in the current thesis. Scattering functions known from literature and the scattering function presented in the current thesis are fitted to the SAXS data by means of NLS methods. The differences between the theoretical scattering functions and the results of the NLS calculations are discussed in detail. Anomalous SAXS (ASAXS) experiments reveal the spatial distribution of the lead ions that are bound to the polyacrylic acid chains and enable the calculation of their amount. The aggregation behaviour of polyacrylic acid in the presence of calcium and copper ions upon crossing the phase boundary is investigated by means of time resolved SLS (TR-SLS). The scattering curves of the aggregating polyelectrolyte chains are compared with theoretical models. The mechanism of aggregation is interpreted by means of scaling laws.