Authors:	Ziegler, Verena Elisabeth
Title:	Grenzflächenspannung und Morphologie fließender zweiphasiger Polymermischungen
Online publication date:	1-Jan-2003
Year of first publication:	2003
Language:	german
Abstract:	In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie von zweiphasigen Polymermischungen unter Scherung in situ mit Hilfe einer Kombination aus optischer Scherzelle, Durchlichtmikroskop und computergestützten CCD-Kamera untersucht. Als Modellblends dienten die unverträglichen, bei Raumtemperatur flüssigen Polymersysteme Polyisobutylen (PIB)/Polydimethylsiloxan (PDMS) (I) und Poly(dimethyl-co-methylphenyl)siloxan/PDMS (II). Alle Komponenten verhalten sich bei den verwendeten Scherraten newtonisch.Eine der wichtigsten Einflussgrößen für die Blendmorphologie ist die Grenzflächenspannung gamma 12. Sie wurde für I und II mit Hilfe der Methode der Tropfenrelaxation (dynamisch) als Funktion der Zeit bestimmt. Diese Methode erlaubt die Messung von gamma 12 für Tropfen der Phase A in B sowie von Tropfen B in A. Bei der Methode des hängenden Tropfens (statisch) muss der Tropfen aus der Phase mit der höheren Dichte bestehen. Wo der Vergleich der beiden Methoden möglich ist, stimmen die Ergebnisse für beide Systeme sehr gut überein. Bei II sind die aus der Tropfenrelaxation erhaltenen gamma 12-Werte der beiden komplementären Zusammensetzungen im Rahmen des Fehlers gleich, bei I zeigt ein PIB-Tropfen in PDMS einen um 40 % niedrigeren Wert als ein PDMS-Tropfen in PIB, dies wird auf die Diffusion von kurzkettigen Anteilen des PDMS in die Grenzschicht zurückgeführt. Die Grenzflächenspannung hängt also unter Umständen auch bei binären Systemen deutlich von der Zusammensetzung ab.Für II wurde die Blendmorphologie über den gesamten Zusammensetzungsbereich untersucht. Die häufig beobachteten cokontinuierlichen Strukturen treten bei keiner Zusammensetzung auf. Die Phaseninversion erkennt man in einer sprunghaften Änderung der Tropfengröße zwischen phiPDMS <= 0,400 und 0,500; zudem lässt sich die Zeitabhängigkeit der Radien durch Auftragung gegen das Produkt aus der Deformation und dem Quadrat des Volumenbruchs der Tropfenphase für 0 <= phiPDMS <= 0,400 sowie 0,500 <= phiPDMS <= 1 normieren. Für I und II wurde die Morphologieentwicklung bei 25 °C nach Vorscherung bei 100 bzw. 50 s-1 und anschließendem Sprung der Scherrate auf deutlich niedrigere Werte als Funktion der Zeit verfolgt. Hierbei erhält man bei genügend langer Messdauer (mindestens 200 000-300 000 Schereinheiten) konstante Tropfengrößen. Zum einen handelt es sich dabei um pseudo-stationäre Werte, die nur durch Koaleszenz bestimmt sind, zum anderen um echte stationäre Radien, die durch gleichzeitig ablaufende Koaleszenz und Zerteilung entstehen. Für I liegen die stationären Mittelwerte auf der Zerteilungskurve, für II hingegen auf der Koaleszenzkurve.Der Einfluss eines grenzflächenwirksamen Additivs wurde anhand von I durch Zugabe des Blockcopolymer PIB-b-PDMS zu PIB untersucht. Der Vergleich des zeitlichen Verlaufs von gamma 12 mit der Morphologieentwicklung zeigt, dass das Additiv eine Stabilisierung der feinen Tropfen/Matrix-Struktur des Blends durch Hinderung der Koaleszenz und nicht durch Reduktion der Grenzflächenspannung bewirkt. The morphology of two-phase polymer mixtures under shear was studied in situ by means of of an optical shear cell combined with a light microscope and a CCD-camera. The incompatible polymer systems polyisobutylene(PIB)/polydimethylsiloxane(PDMS) (I) and poly(dimethyl-co-methylphenyl)siloxane/PDMS (II) were used as model blends. All components are liquid at room temperature and show newtonian behaviour.One important factor influencing the blend morphology is the interfacial tension gamma 12. This parameter was measured as a function of time for both systems via drop relaxation (dynamic). This method allows the measurement of gamma 12 for droplets of phase A in B as well as for droplets B in A. For the pendant drop method (static) the droplet has to consist of the phase with higher density. For the same droplet phase it is possible to compare both methods, for this cases the results agree very well. For system II the values of gamma 12 stemming from drop relaxation are equal within the error for both complementary blends, for system I gamma 12 of a PIB-drop in PDMS is reduced by 40 % in comparison with gamma 12 of a PDMS-drop in PIB, this is due to the diffusion of the low molecular fraction of the PDMS into the interface. Thus, the interfacial tension of binary polymer systems possibly depends on the composition.For system II the morphology of the blends was investigated for the whole range of composition. Frequently observed co-continuos structures do not occur at any composition. The phase inversion can be identified through a sharp increase in droplet size between phiPDMS = 0.400 and 0.500. The time dependence of droplet size can be superimposed by plotting the radii against the product of shear and the square of the volume fraction of the droplet phase for 0 <= phiPDMS <= 0.400 and 0.500 <= phiPDMS <= 1.For I and II the morphology evolution as a function of time was observed at 25 °C after pre-shearing at 100 s-1 respectively 50 s-1 followed by a jump of the shear rate to lower values. After sufficient long time (at least 200 000 - 300 000 shear units) constant droplet radii were reached. Partly these are pseudo-stationary values, which are only determined by coalescence, partly they are real stationary radii which arise from a competition between coalescence and break-up. For I the stationary mean radii fall on the break-up line, for II on the coalescence line.The influence of an additive was investigated for system I by addition of the block copolymer PIB-b-PDMS to PIB. The comparison of the time development of the morphology and of the interfacial tension shows that the additive stabilises the fine dispersed droplet/matrix structure of the blend via hindrance of coalescence and not via reduction of interfacial tension.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2449
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-4611
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen