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2 Zielsetzung der Arbeit

Diese  Arbeit  gliedert  sich  in  drei  Teile  und  beinhaltet  die  folgenden  Themenkomplexe mit unterschiedlichen Fragestellungen. 

2.1 Thermische  Eigenschaften  und  Mesophasenverhalten  von  Tricarboxamiden 

Im Hauptteil dieser Arbeit soll ein umfassender und systematischer Vergleich der  thermischen Eigenschaften, des Phasenverhaltens und der Mesophasenstrukturen  von  1,3,5‐Benzol‐  und  1,3,5‐Cyclohexantricarboxamiden  mit  linearen  und  verzweigten Alkylsubstituenten (Abb. 14) durchgeführt werden. 

Abb. 14:  Allgemeine  Strukturformeln  der 1,3,5‐Benzoltricarboxamide (links)  und 1,3,5‐

Cyclohexantricarboxamide (rechts). 

Aufgrund ihrer Fähigkeit, intermolekulare Wasserstoffbindungen zu bilden, besitzen  diese  Verbindungsklassen  ein  außerordentlich  wichtiges  und  vielseitiges  Strukturelement  zum  Aufbau  supramolekularer  Nanoobjekte.  Sie  bieten  großes  Anwendungspotenzial  u. a.  als  Nukleierungsmittel  und  Klarmodifizierer  für  isotaktisches Polypropylen, als Nukleierungsmittel für Polyvinylidenfluorid[45‐447] und  als Additive zur  Verbesserung  der Elektreteigenschaften von Polypropylen.[48, 49] 

Außerdem bilden sie Nanofasern mittels Selbstorganisation, die als Filtermaterialien  verwendet werden können.[50] Um dieses Potenzial besser auszuschöpfen, ist ein  genaues  und  grundlegendes  Verständnis  der  Struktur‐Eigenschaftsbeziehungen  dieser Verbindungsklassen erforderlich. 

 

Ziel  der  Arbeit  ist  ein  systematischer  und  umfassender  Vergleich  der  thermischen  Eigenschaften  einer  breiten  Auswahl  von  1,3,5‐Benzol‐  und  1,3,5‐

Cyclohexantricarboxamiden,  um  das  Verhalten  dieser  Verbindungsklassen  zu  verstehen,  und  Struktur‐Eigenschaftsbeziehungen  aufzustellen.  Die  vielfältigen  Strukturen  der  auftretenden  Mesophasen  sollen  als  Funktion  der  Temperatur  aufgeklärt werden. Dabei soll untersucht werden, wie mit steigender Temperatur die  Ordnung schrittweise abnimmt. Die Charakterisierung der Verbindungen soll dabei  mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (differential scanning calorimetry, DSC),  Polarisationsmikroskopie und Röntgendiffraktometrie erfolgen. Zwar wurden von  Matsunaga  et  al.  bereits  Untersuchungen  an  1,3,5‐Benzoltricarboxamiden  vorgenommen,  allerdings  konnten  die  Mesophasen  seinerzeit  nicht  klassifiziert  werden.[25, 26] Die supramolekularen Strukturen der gestapelten 1,3,5‐Benzol‐ und  1,3,5‐Cyclohexantricarboxamid‐Moleküle wurde zwar bereits von Lightfoot et al. 

verglichen, aber es wurde nur jeweils eine Verbindung jeder Serie mit polaren  Substituenten beschrieben.[35] 

 

Von grundlegendem Interesse bei flüssigkristallinen supramolekularen Systemen ist  auch der Übergang von der flüssigkristallinen Phase in die isotrope Schmelze und damit  verbunden die Frage, wie weit die Ordnung dabei verloren geht. Dazu soll an  ausgewählten Beispielen mittels temperaturabhängiger IR‐Spektroskopie die Stärke  der  intermolekularen  Wasserstoffbindungen  und  damit  die  supramolekulare  Aggregation  in  den  verschiedenen  Phasen  untersucht  werden.  Die  molekulare  Struktur der von einigen 1,3,5‐Cyclohexantricarboxamiden gebildeten nematischen  Phase ist dabei von großem Interesse. Die Existenz einer nematischen Phase wurde  zwar bereits von Tomatsu et al.[29] gefunden, ihre Struktur wurde aber nicht näher  klassifiziert. Da es sich um einen Zwischenzustand zwischen einer höher geordneten  kolumnaren Phase und der isotropen Schmelze handelt, kann er helfen, zu verstehen,  was  beim  Übergang  in  die isotrope Phase  passiert. Die  erhaltenen  Daten zum  Phasenverhalten sind wichtig für die Anwendung der Substanzen. Mit ihrer Hilfe  können  geeignete Verarbeitungsbedingungen gewählt  werden,  um  die jeweilige  Substanz  beispielsweise  aus  einer  Mesophase  oder  der  isotropen  Schmelze  zu  verarbeiten. Auch zur Anwendung dieser supramolekularen Strukturen in Bauteilen  oder  als  fibrilläre  Nanomaterialien  müssen  das  thermische  Verhalten  und  die  Ordnungsstruktur in der jeweiligen Phase bekannt sein. 

 

In  Kooperation  mit  Prof.  Dr.  Rodrigo  Q.  Albuquerque  (Universität  Bayreuth,  Lehrstuhl für Theoretische Physik IV, Prof. Dr. S. Kümmel; jetzt: Chemisches Institut  der  São  Carlos  Universität  São  Paulo)  sollen  die  Geometrien  der  gestapelten  Moleküle simuliert werden. Die so erhaltenen Strukturinformationen sollen mit den  experimentell erhaltenen Ergebnissen verglichen werden und diese stützen. Diese  Ergebnisse sind in Kapitel 3 dieser Arbeit zu finden. 

2.2 Tricarboxamide als Gelatoren für isotrope Flüssigkeiten 

Während sich der Hauptteil dieser Arbeit mit den thermischen Eigenschaften der  Tricarboxamide  als  Reinstoffe  beschäftigt,  soll  in  Kapitel 4  das  Verhalten  ausgewählter Verbindungen in organischen Lösemitteln untersucht werden. Neben  den eindimensionalen Strukturen der Tricarboxamide entlang der Säulenachse sind,  wie oben beschrieben, auch Wechselwirkungen zwischen den Säulen möglich. Im  Lösemittel kommen bei hinreichend hoher Konzentration auch diese schwächeren  Wechselwirkungen zum Tragen. Somit können dreidimensionale Überstrukturen  gebildet werden, die unter geeigneten Bedingungen zur Bildung von physikalischen  Abb. 15:  Schematische  Darstellung  eines  Gelnetzwerks  bestehend  aus  einer  isotropen 

Flüssigkeit (z. B. Toluol) und einem Gelator auf der Basis von Benzol‐  bzw. 

Cyclohexantricarboxamiden). 

 Ziel  dieser  Arbeit  ist  es,  geeignete  Verbindungen  zur  Anwendung  als  Gelatoren oder Verdicker zu finden und zu untersuchen. 

 Mit  diesen  Verbindungen  soll  die  Gelierbarkeit  verschiedener  Lösemittel  erprobt werden. 

 Der Gel‐Sol‐Übergang soll mit verschiedenen thermischen Verfahren (DSC,  Kugelfallmethode) untersucht werden. 

 Die Eigenschaften der erhaltenen Gele wie thermische Stabilität und Trübung  sowie  die  minimal  notwendige  Gelatorkonzentration  sollen  verglichen  werden. 

 Schließlich soll versucht werden, nematische Flüssigkristalle zu gelieren. 

2.3 Gelatoren für nematische Flüssigkeiten 

Im Gegensatz zu den Gelen aus isotropen Flüssigkeiten sollen in Kapitel 5 Gelatoren  für nematische Flüssigkeiten gefunden und untersucht werden (Abb. 16). 

 

N

O N R

O R' H

H

CN N

O N R

O R' H

H

CN

 

Abb. 16:  Schematische Darstellung eines Gelnetzwerks in einem nematischen Gel, bestehend  aus  einer  nematischen  Flüssigkeit  (z. B.  5‐CB)  und  einem  amphiphilen  Phenylenbisamidgelator. 

Im Einzelnen sollen folgende Punkte untersucht werden: 

 Der Gel‐Sol‐Übergang der erhaltenen Gele soll mittels thermischer Verfahren  (DSC, Kugelfallmethode) untersucht werden. 

 Die  Fließeigenschaften  am  Gel‐Sol‐Übergang  sollen  als  Funktion  der  Temperatur mit Hilfe eines besonders empfindlichen Rheometers verfolgt  werden. 

 Die Morphologien der Gelnetzwerke sollen mittels Elektronenmikroskopie  abgebildet werden. 

 Die  optischen  Eigenschaften  dieser  Gele  im  elektrischen  Feld  sollen  in  Kooperation  mit  Matthias  Müller  (Universität  Bayreuth,  Lehrstuhl  für  Experimentalphysik V, Prof. Dr. I. Rehberg) untersucht werden. Dabei wird  besonderes  Augenmerk  auf  den  Fréedericksz‐Übergang  gelegt,  der  die  Grundlage für die Anwendung in Flüssigkristallanzeigen bildet. 

 

Eine Zusammenfassung dieser Arbeit in deutscher und englischer Sprache ist in den  Kapiteln 6 und 7 zu finden. 

3 Thermische  Eigenschaften  und  Mesophasenverhalten  von