Charakterisierung von Polymeren mittels Femtosekunden-stimulierter Raman-Mikroskopie
Nixdorf, Jakob - Heinrich Heine Universität Düsseldorf (2019)
In dieser Arbeit wird die Femtosekunden-stimulierte Raman-Mikroskopie zur Untersuchung von zwei unterschiedlichen Fragestellungen der Polymer-Forschung eingesetzt. Die erste dieser Fragestellungen behandelt die Bestimmung der Mikrostruktur von sog. Polymerblends. Dies sind Mischungen aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Polymeren. Je nach Verhältnis der einzelnen Polymer-Anteile und den Parametern des Herstellungs-Prozesses können sich unterschiedliche Mikrostrukturen in den Blends ausbilden. Diese Struktur trägt entscheidend zu den mechanischen und chemischen Eigenschaften des Materials bei.
Zur Untersuchung dieser Strukturen ist ein Verfahren nötig, welches die chemischen Komponenten (die einzelnen Polymere) der Proben örtlich aufgelöst darstellen kann. Eine solche Methode ist durch die Raman-Mikroskopie gegeben, wobei die Femtosekunden-stimulierte Raman-Mikroskopie es ermöglicht ein Raman-Bild einer solchen Probe in wenigen Minuten aufzunehmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Polymerblend aus zwei Komponenten, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), untersucht. Hierbei wurden Raman-Bilder verschiedener Proben in wenigen Minuten aufgenommen, anhand derer es möglich war, die Mikrostruktur der Blends zu analysieren.
Nachdem in der ersten Fragestellung eine statische Eigenschaft von Polymerblends untersucht wurde, befasst sich die Zweite mit einem dynamischen Prozess: der Aufnahme von Lösungsmitteln in Polymeren. Dieser Prozess spielt bei einer Vielzahl von Anwendungen von Polymeren eine große Rolle. So werden z.B. Gefäße aus Polymere häufig zum Lagern von Flüssigkeiten eingesetzt, wobei die Wechselwirkung der gelagerten Flüssigkeit mit dem Gefäß eine entscheidende Rolle spielt. In dieser Arbeit wurde dabei speziell die Aufnahme von Methanol in Polymethylmethacrylat (PMMA) betrachtet, ein Standard-System welches schon sehr lange untersucht wird. Allerdings ist es, trotz der eingehenden Untersuchungen, bis heute nicht möglich gewesen die genaue Natur des Aufnahme-Prozesses herauszufinden. Für eine Analyse dieses Prozesses ist es nötig, die Konzentration des Lösungsmittels innerhalb des Polymers räumlich und zeitlich aufgelöst verfolgen zu können.
Mithilfe der Raman-Mikroskopie kann diese Konzentration anhand der Raman-Spektren bestimmt, und damit ihre Verteilung innerhalb der Probe untersucht werden. Zusätzlich ist es, durch die hohe Messgeschwindigkeit der FSRM, möglich diese Untersuchung in bestimmten Zeitabständen zu wiederholen. Auf diese Weise konnte im Rahmen dieser Arbeit der Aufnahme-Prozess genau verfolgt und erstmalig in Form von zeitabhängigen Konzentrations-Profilen des Methanols innerhalb der PMMA-Probe dargestellt werden. Hierbei ist zu beobachten, dass sich die Konzentrations-Profile durch eine scharfe Front auszeichnen, an der die Methanol-Konzentration von einem vorher nahezu konstante Wert auf Null abfällt. Mit voranschreitender Zeit wandert diese Front vom Rand der Probe, welcher mit dem Methanol in Kontakt steht, weiter in deren Zentrum. Der im Rahmen dieser Arbeit aufgenommene Datensatz stellt eine wichtige Grundlage zur weiteren Untersuchung und theoretischen Modellierung des Prozesses der Lösungsmittel-Aufnahme in Polymeren dar. Zusätzlich wird hierdurch die FSRM als geeignete Technik zur Analyse dieser Art von Prozesse vorgestellt.