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Bibliographic Metadata

Title
Silica particle formation from supersaturated aqueous solution and the influence of polymeric additives / von Marina Elena Kley, geb. Sake ; [1. Gutachter: Prof. Dr. Klaus Huber, 2. Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang Bremser]
AuthorKley, Marina
ParticipantsHuber, Klaus ; Bremser, Wolfgang
PublishedPaderborn, 2017
Edition
Elektronische Ressource
Description1 Online-Ressource (XIV, 152 Seiten) : Diagramme
Institutional NoteUniversität Paderborn, Dissertation, 2017
Annotation
Tag der Verteidigung: 13.07.2017
Defended on2017-07-13
LanguageEnglish ; German
Document TypesDissertation (PhD)
URNurn:nbn:de:hbz:466:2-29157 
DOI10.17619/UNIPB/1-167 
Files
Silica particle formation from supersaturated aqueous solution and the influence of polymeric additives [33.89 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Für die Polymerisation von Silikaten aus übersättigter, wässriger Lösung wird ein 3-stufiger Mechanismus bestehend aus Nukleation, Partikelwachstum und Partikelagglomeration angenommen. Die vorliegende Arbeit untersucht den durch pH Erniedrigung induzierten Bildungsprozess der Silikatpartikel mittels TR-SLS/DLS. Diese liefern zusammen mit der spektrophotometrischen Bestimmung der Monomerkonzentration Informationen sowohl der wachsenden Partikel als auch der partikelbildenden Spezies. Das Partikelwachstum wird ausgehend von einer Lösung aus Natriumsilikat in Wasser mit variabler SiO2 Konzentration bei einer Temperatur von 37C bei pH 7 und 8 untersucht. Ein möglicher Einfluss von Metallkationen auf das Partikelwachstum wird durch Experimente in Gegenwart von (Mg1/5Ca4/5)Cl2 bzw. NaCl getestet. Die Ergebnisse ermöglichen die klare Unterscheidung der drei Wachstumsschritte und bestätigen das 3-Stufen Modell. Die Partikel wachsen gemäß eines Monomer-Additions-Mechanismus zu homogenen, kompakten Partikeln. Sofern die zeitliche Entwicklung von Mw durch die Monomer-Addition dominiert wird kann diese erfolgreich mit einem einfachen Modell, das eine Präkursorreaktion, Nukleation und Monomer-Additions-Wachstum umfasst, beschrieben werden. Oberhalb einer bestimmten SiO2 Konzentration agglomerieren die kompakten, kugelförmigen Partikel zu Agglomeraten mit einer fraktalen Dimension von 2. Zusätzlich wird der Einfluss von drei Modellpolymeren (PEO, PA und AA-AMPS) im Hinblick auf einen inhibierenden Effekt auf die Bildung der Partikel untersucht. PEO hat einen starken Einfluss auf den Monomerverbrauch. PA bildet in Gegenwart von divalenten Kationen kugelförmige Hybridaggregate aus Silikat und PA. Für AA-AMPS kann allerdings bei den vorliegenden Bedingungen kein Einfluss auf das Wachstum der Silikatpartikel festgestellt werden.

Abstract (English)

Silica polymerization in aqueous solution is assumed to proceed according to a 3-step mechanism: nucleation, particle growth and agglomeration of particles. The present study applies TR-SLS/DLS in combination with UV/vis spectrometry revealing the monomer consumption based on the molybdenum blue method to investigate the silica polymerization in solutions of sodium silicate at a temperature of 37 C. Particle formation was investigated at variable silica content at pH 7 and 8. Experiments were carried out in pure water and in the presence of either a mixture of CaCl2 and MgCl2 or NaCl in order to analyse the impact of electrolytes on the process. With the results from the applied analytical methods we are able to unambiguously discriminate the three mechanistic steps of the silica polymerization. Independent of the presence or absence of salt, particle growth in step 2 turned out to proceed via a monomer-addition process. The growing particles are compact with a homogeneous density. Independent of the salt conditions, evolution of the weight-averaged molar mass of experiments dominated by the monomer-addition growth of homogeneous particles, could be successfully described with a simple nucleation and growth model including a precursor reaction. Above a certain silica concentration particle-particle interactions caused agglomeration following a diffusion-limited growth. The resulting agglomerates have a fractal dimension of 2. In addition, the influence of three model polymers (PEO, PA, and AA-AMPS) on the particle formation under salt and salt-free conditions was investigated. For PEO a good inhibition effect was observed. In the presence of divalent cations PA led to the formation of spherical hybrid aggregates of silica and PA. An inhibition effect on the monomer concentration of silica was not observed. ...