Model-based synthesis of functional microgels

• Modell-basierte Synthese funktioneller Mikrogele

Jung, Falco Constantin; Mitsos, Alexander (Thesis advisor); Leonhard, Kai (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Mikrogele sind funktionelle Polymere mit diversen Anwendungen wie der Trennung von zwei flüssigen Phasen, der Herstellung schaltbarer Membranen oder der gezielten Anwendung von Pharmazeutika im Körper. Die diversen Anwendungen setzen Mikrogele mit verschiedenen Produkteigenschaften voraus. Die Produkteigenschaften von Mikrogelen werden während der Mikrogel Synthese bestimmt. Die effiziente Synthese ist eine Voraussetzung zur verstärkten Anwendung von Mikrogelen in Forschung und Industrie. Sie kann potentiell durch modell-basierte Methoden ermöglicht werden. Modell-basierte Methoden benötigen ein Modell, das die Effekte der Synthesebedingungen auf die Eigenschaften der Mirkogele quantitativ beschreibt. Im ersten Schritt erstellen wir ein mechanistisches Modell der Mikrogelsynthesekinetik mit Stoffmengenbilanzen aller Reaktanden und weiteren Gleichungen für die Modellierung von wichtigen Mikrogeleigenschaften wie die Vernetzerdichte. Die benötigten kinetischen Parameter schätzen wir basierend auf experimentellen Daten und führen auch eine Analyse der Identifizierbarkeit der Parameter durch. Im zweiten Schritt erweitern wir das Modell um das Wachstum und den finalen Hydrodynamischen Radius der Mikrogele. Wir führen neue Annahmen ein, welche die Modellierung ohne die Schätzung von vielen Modellparametern basierend auf den limitierten experimentellen Daten ermöglichen. Wir validieren die Ergebnisse der Simulation mit experimentellen Daten über drei Größenordnungen, welche von verschiedenen Gruppen gesammelt wurden. Im dritten Schritt wenden wir das Modell für die Bestimmung von Synthesevorschriften zur Herstellung von Mikrogelen mit einer gewünschten radialen Verteilung von Vernetzer bei gleichbleibenden Umsatz des Monomers an. Wir nutzen dynamische Optimierung um den Einfluss der Synthese auf die Umwelt bei gleichbleibender Produktqualität zu minimieren. Im vierten Schritt nutzen wir das Modell für modell-basierte experimentelle Analyse und modell-basiertes Design. Die modell-basierte experimentelle Analyse zeigt, dass die Ursachen für die größeren Mikrogele die geringe Anfangskonzentration von Initiator und die zu Beginn niedrige Reaktortemperatur ist. Basierend auf diesen Ergebnisse stellen wir ein vereinfachtes Synthesekonzept vor, welches es erlaubt große Mikrogele ohne die Zuführung von Reaktanden herzustellen. Die vorgestellte Synthesevorschrift wird experimentell validiert und experimentelle Daten und Simulationsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung. Im fünften Schritt wenden wir das Modell im modell-basierten Design einer Mikrogelsynthese an, um eine gewünschte radiale Verteilung von funktionellen Monomeren zu erreichen. Wir bestimmen drei Syntheserezepte mit dem Ziel, das funktionelle Monomer im Zentrum des Mikrogels zu akkumulieren, am Rand des Mikrogels zu akkumulieren, oder gleichmäßig im Mikrogel zu verteilen. Wir validieren die bestimmten Syntheserezepte durch die experimentelle Durchführung und zeigen gute Übereinstimmung von experimentellen Daten und Simulationsergebnissen. Zusammenfassend zeigen wir, dass modell-basierte Mikrogelsynthesen eine effiziente Methode für die Synthese von Mikrogelen mit gewünschten Produkteigenschaften sind.