Untersuchungen zur Konzentrationsabhängigkeit des Flory-Huggins-Wechselwirkungsparameters
N. Schuld (1994)


Nachdem Anfang des 20. Jahrhunderts die Polymerchemie als neues Forschungsgebiet entdeckt wurde, beschäftigte man sich bald auch mit Lösungen von Polymeren in organischen Solventien. Dabei stellte man fest, daß sich das Verhalten dieser Lösungen von Mischungen niedermolekularer Stoffe unterschied. Mitte des Jahrhunderts entwickelten P. J. Flory und M. Huggins ein bis heute verwendetes Modell, das eine Polymerlösung in ein Gitter aus Segmenten unterteilt. Aus der Zahl der Anordnungsmöglichkeiten der Polymersegmente und der Lösungsmittelmoleküle im Gitter kann mit der statistischen Thermodynamik die Mischungsentropie berechnet werden. Fügt man in dieses Modell noch einen Ausdruck für die Enthalpie ein, so kann man die Gibbssche Mischungsenergie und damit die chemischen Potentiale der Komponenten in der Lösung berechnen. Allerdings zeigten schon die von Flory selbst durchgeführten Experimente, daß der Wechselwirkungsparameter χ in dieser Gleichung entgegen seiner ersten Annahmen sowohl von der Konzentration als auch von der Temperatur der Lösung abhing.

Die Ermittlung der Konzentrationsabhängigkeit von χ ist eines der Hauptprobleme, die sich bis heute stellen, da sie bisher mit einem großen experimentellem Aufwand verbunden war. Für kleine Konzentrationen (Volumenbruch des Polymeren φ2 von 0 bis 0,1) kann man χ(φ2) z.B. mittels der Osmose erhalten. Mit der Entwicklung einer neuen Apparatur, die durch die Kombination eines Headspace-Samplers mit einem Gaschromatographen die Dampfdrücke über Lösungen bestimmen kann, ist es möglich, den Verlauf von χ(φ2) im Bereich von 35-90% Polymergehalt zu ermitteln.

Obwohl χ oft einen sehr einfachen Verlauf mit der Konzentration nimmt, führt die Extrapolation auf den Grenzwert unendlicher Verdünnung nicht immer zu den Werten, die man dort experimentell (z.B. mit Osmose) erhält. Vielmehr gibt es Systeme, für die ein Extremum im Verlauf der χ(φ2) Kurve wahrscheinlich ist. Experimentell fundierte Untersuchungen könnten für das Verständnis des Verhaltens von Polymerlösungen neue Impulse liefern. In dieser Arbeit sollte mit der Bestimmung von χ(φ2) für zwei weitere Systeme mithilfe der neuen Methode ein Beitrag dazu geleistet werden.

Hierfür eignen sich PDMS-Lösungen, da sie auch bei hohen Polymer-konzentrationen einfach zu homogenisieren sind. Als Lösungsmittel sollen Toluol und Ethylacetat dienen. Für Toluol / PDMS sind bereits Literaturdaten dokumentiert5, so daß sich ein Vergleich anbietet. Im Gegensatz dazu ist die Konzentrationsabhängigkeit des Wechselwirkungsparameters für Ethylacetat / PDMS bisher in der Literatur nicht bekannt. Als ein oligomeres Vergleichssystem wurde Toluol / Octamethyltrisiloxan vermessen