Untersuchungen zur Beeinflußbarkeit der Grenzflächenspannung zwischen Homopolymeren durch Copolymere
U. Jorzik (1995)


Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beeinflußbarkeit der Grenzflächen-spannung (s) binärer Polymermischungen durch Copolymere. Die Homopolymersysteme waren Polydimethylsiloxan / Polyethylenoxid (PDMS 177w / PEO 41w) und Polyethylmethylsiloxan / Polypropylenoxid (PEMS 31w / PPO 2); die in den Abkürzungen aufgeführten Zahlen sind die Gewichtsmittel des Molekulargewichts in kg/mol. Als Additive wurden ein lineares Di- bzw. Triblockcopolymer vom Typ (DMS-EO) und zwei "Zahnbürsten"-Copolymere (DMS-Hauptkette und EO-Borsten) sowie Ethylenoxid-block-Styrol (EO-S) und Styrol-block-Methylmethacrylat (S-MMA) untersucht.

Die Messungen erfolgten an einer Sessile-Drop-Apparatur (SED); zu Vergleichszwecken durchgeführte Experimente an einer Pendent-Drop-Apparatur (PED) zeigten gute Übereinstimmung. σ wurde als Funktion des PDMS-Molekulargewichts, der Temperatur (typisch zwischen 70 und 130°C) und der Additivkonzentration (i.a. zwischen 0,1 und 15 wt% im PEO-Tropfen) bestimmt. Die Abhängigkeit von der Konzentration, angegeben als Grundmolenbruch, wurde theoretisch nach Tang/Huang beschrieben. Daraus lassen sich σS, die maximal erreichbare Reduktion der Grenzflächenspannung Δσ und xAddch, die charakteristische Additivkonzentration, die ein Maß für die Wirksamkeit geringer Additivzugaben ist, berechnen. Beide quantifizieren die Effektivität eines Copolymers.

Zwei Fragekomplexe standen im Vordergrund der Arbeit; zum einen der Einfluß der molekularen Architektur der Additive bei gleicher Chemie, und zum anderen die Auswirkung der Chemie der Additivblöcke bei gleicher Architektur.

Die Untersuchungen zum Effekt der Architektur erfolgten mit den (DMS-EO)-Additiven. Diese reduzieren die Grenzflächenspannung des Systems PDMS 177w / PEO 41w von σ=10,5 mN/m auf Werte zwischen 7 und 1 mN/m. Um den unterschiedlichen molekularen Aufbau vergleichen zu können, wurden die DMS- bzw. EO-Einheiten summiert. Es konnte gezeigt werden, daß σS und xAddch nur eine Funktion der Zahl der DMS-Einheiten sind und die Architektur eine untergeordnete Rolle spielt. Dieser Befund deutet darauf hin, daß sich die DMS-Blöcke der Copolymere bevorzugt in der Grenzfläche anordnen und keine nennenswerte Streckung in die PDMS-Phase erfolgt. Eine schlüssige Erklärung dieser Ergebnisse ist mit Hilfe der Theorie in Teilen möglich.

Die Effekte, die auf die unterschiedliche chemische Beschaffenheit der Blöcke zu-rückzuführen sind, wurden mit den linearen Diblockcopolymeren DMS-EO, EO-S und S-MMA untersucht. Diese Additive setzen die Grenzflächenspannung des Systems PDMS 177w / PEO 41w von σ=10,5 mN/m auf etwa 7,5 mN/m herab. Für (EO-S) und (S-MMA) konnte mit Hilfe eines Ansatzes nach Noolandi abgeschätzt werden, mit welcher Raumphase die beiden Blöcke vorzugsweise wechselwirken. Die Werte von σS und xAddch legen nahe, daß sich der Styrolblock bevorzugt parallel zur Grenz-fläche anordnet.

Neben den bereits geschilderten Ergebnissen sind folgende Befunde erwähnenswert. Die Grenzflächenspannung des Systems PDMS / PEO 41w folgt bei Variation des Molekulargewichts der PDMS-Matrixphase der theoretisch geforderten M-2/3-Abhängigkeit; dies gilt ebenso bei Zusatz von (DMS-EO)-Copolymeren. Orientierende Messungen (PED-Apparatur) am System PEMS 31w / PPO 2 / (DMS-EO)-Copolymere, d.h. an einem weiteren System, bei dem die Monomere des Additivs chemisch nicht identisch mit denen der Homopolymere sind, zeigen, daß auch in diesem Fall die Grenzflächenspannung reduziert wird.