Random Block Copolymer Melts in the Bulk and at Selective Substrates

Abstract

Zufallsblockkopolymere sind Polymere, die aus zwei verschiedenen, zufällig aneinandergefügten Typen von Blöcken bestehen. Diese Blöcke enthalten jeweils nur eine Art Monomer und eine gegenseitige Abstoßung führt hierbei zur Domänenbildung. Wenn diese Domänen unterschiedliche mechanische Eigenschaften besitzen eine ist härter, die andere weicher lassen sich damit beispielsweise gummiartige Werkstoffe herstellen, die ohne ein chemisches Vernetzungsmittel auskommen. Weiterhin ist die von Zufallsblockkopolymeren ausgebildete Struktur interessant für Direktmethanolbrennstoffzellen, wo diese als Protonenaustauschmembranen verwendet werden. Am Kontakt zwischen Elektroden und Membran kann sich ein ausgedehntes Gebiet bilden, das sich in seinen Eigenschaften von denen der unmittelbaren Oberfläche (Kontaktfläche) und des Volumen unterscheidet: die Interphase. Wir verwenden für die Simulation der Polymerschmelzen zwei verschiedene vergröberte Modelle, eines mit weichen Wechselwirkungen und ein Lennard-Jones Kugel-Feder Modell. Im weichen Modell equilibriert die Schmelze schneller, während im Lennard-Jones Modell die Dynamik und die mechanischen Eigenschaften realistischer sind. Unser Ziel ist es, Parameter für diese Modelle zu finden, um die equilibrierten Strukturen des weichen Modells als Ausgangspunkt für das Lennard-Jones Modell verwenden zu können. Dies ermöglicht die systematische Untersuchung der mechanischen und dynamischen Eigenschaften mittels Computersimulationen. Die gefundenen Parameter führen in beiden Modellen zu Strukturen, die auf Längenskalen oberhalb weniger Segmentgrößen übereinstimmen. Die Schmelze bildet eine mikroemulsionsartige Struktur, wir sehen aber auch eine lamellare Phase. Die Verwendung von Konfigurationen des weichen Modells als Ausgangspunkt für das Lennard-Jones Modell führt zu einer Reduzierung der Equilibrierungszeit auf ein Zehntel oder weniger. Wir analysieren die mechanischen Eigenschaften der gebildeten Domänen sowie der Grenzflächen. Hier beobachten wir ein stark unterschiedliches Verhalten von Scher- und Kompressionsmodul. In Kontakt mit einem selektiv-attraktiven Substrat bildet sich die Interphase auf bis zu vier End-zu-End Abständen heraus. Sie zeigt sich in dem Konzentrationsprofil der Monomerarten, der Fraktionierung von Kettensequenzen zwischen Interphase und Volumen, den Konformationen der Polymere und ihrer Dynamik. Der lokale Schermodul in der Interphase entsteht aus einem komplexen Zusammenspiel von Konzentration und Dichte.