Freies Volumen an Polymer-Festkörper-Grenzflächen

Ohrt, Christian

In dem Teilprojekt “Verteilung des Freien Volumens an Polymer-Festkörper Grenzflächen“ des Schwerpunktprogramms SPP 1369 der „Deutschen Forschungsgemeinschaft“ (DFG) sollten die Eigenschaften von Polymer-Festkörper-Kompositmaterialien untersucht werden. Die veränderten Eigenschaften hängen hierbei von den Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Festkörpern ab. Der Bereich, in dem die Eigenschaften durch die Wechselwirkungen beeinflusst werden, wird in der Regel als „Interphase“ bezeichnet. Bei Polymer-Nanokompositen kann sich diese Interphase aufgrund der großen Oberfläche der Nanopartikel auf die komplette Polymermatrix erstrecken. Bei planaren Polymer-Festkörper-Kontakten hingegen erstreckt sich die Interphase nur wenige Nanometer in die Polymermatrix. Viele Eigenschaften des Polymers hängen vom freien Volumen ab, denn das freie Volumen kann die Anordnung und die Dynamik der Polymerketten beeinflussen. Eine Untersuchungsmethode des freien Volumens stellt die Positronenlebenszeitspektroskopie (PALS) dar. Bei der PALS wird die Lebenszeit von Positronen in einem Probenmaterial gemessen, aus der eine mittlere freie Hohlraumgröße des freien Volumens berechnet werden kann. Außerdem können durch temperaturabhängige Messungen Glastemperaturen von Polymeren bestimmt werden. Mittels dieser Messmethode wurde das freie Volumen Polyethylen-alt-proyplen-Silica-Nanokompositen und Polybutadien-Silica-Nanokompositen untersucht. Hierbei wurde zum einen das Molekulargewicht der Polymere bei einer konstanten Konzentration der Nanopartikel variiert, um den Einfluss von Confinementeffekten auf die Bildung einer Interphase zu untersuchen. Außerdem wurde der Einfluss der Wechselwirkung zwischen Polymer und Festkörper näher untersucht. Jedoch konnte keine Interphase mit veränderten Eigenschaften in den Nanokompositen nachgewiesen werden. Bei planaren Proben hingegen konnte durch tiefenabhängige Positronenstrahluntersuchungen eine Interphase an einer Teflon AF1600-SiN-Grenzfläche mit einer geringeren mittleren Hohlraumgröße bzw. einer höheren Dichte von 5-7% nachgewiesen werden. Durch ein mathematisches Modell konnte die Breite der Interphase auf ca. 12 nm abgeschätzt werden. Bei tiefenabhängigen Bestimmungen von Glastemperaturen an einer Teflon AF1600-Si-Grenzfläche konnte keine Veränderung der Dynamik der Polymerketten im Rahmen der Messgenauigkeit festgestellt werden, obwohl die Polymerketten dichter gepackt sind.

Within the sub-projekt „Verteilung des Freien Volumens an Polymer-Festkörper Grenzflächen“ of the Schwerpunktprogramm SPP1369 from the „German Research Foundation” the changed properties of materials involving polymer–solid interfaces were investigated. The changed properties are depending on the interaction between the macromolecules and the solid. The area where the properties are affected by the interaction is called „interphase”. In Polymer-nanocomposites the interphase can range over the whole polymer matrix due to the large surface of the nanoparticles. For planar polymer-solid contacts the chain characteristics can deviate from the bulk on a length-scale of several nanometer in the interphase. Many properties of the polymer depend on the free volume, because the free volume can affect the arrangement or the dynamics of the polymer chains. An analytical method for the investigation of the free volume is the positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS). In PALS the positron lifetime in a sample material is measured, which can be converted with a quantum mechanical model into a mean radius of free volume holes. Besides glass transition temperatures of polymers can be determined with this method. The free volume of polyethylene-alt-proyplene-silica-nanocomposites and polybutadienoxid-silica-nanocomposites was investigated with this method. At this investigation the molecular weight of the polymers was varied, whereat the concentration of the nanoparticle stayed constant, to investigate the influence of confinement effects on the built-up of an interphase. In addition the influence of the interaction between the macromolecules and the solid for the built-up was investigated. However no evidence of an interphase with properties different than the bulk was found. For planar samples the existence of an interphase at a Teflon AF1600-SiN interface with a smaller mean radius of the free volume holes, respectively a higher density of 5-7%, was proven with the help of a focused positron beam. With a mathematical model the width of the interphase could be estimated to be approximately 12 nm. Also depth profiling of the glass transition temperature was done at a Teflon AF1600-Si interface. Although the density was increased in the interphase no change in the dynamics of the polymer chains were found within error bar.

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Ohrt, Christian: Freies Volumen an Polymer-Festkörper-Grenzflächen.

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