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Struktur und Fließkinetik von Polymeren in ionenspurgeätzten Nanoporen

Grefe, Ann-Kathrin (2021):
Struktur und Fließkinetik von Polymeren in ionenspurgeätzten Nanoporen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017544,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Struktur und Fließkinetik von Polymeren in ionenspurgeätzten Nanoporen
Language: German
Abstract:

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Struktur und der Fließkinetik von Polymeren unter räumlicher Einschränkung in ionenspurgeätzten Nanoporen. Röntgenkleinwinkelstreuung und Rasterkraftmikroskopie zeigen, dass sich durch Ionenspurätzung wohldefinierte zylindrische Nanoporen mit Radien im Bereich einiger 10 nm bis einiger 100 nm herstellen lassen. Insbesondere wird nachgewiesen, dass eine Atomlagenabscheidung von SiO2 in einer äußerst homogenen Beschichtung der Nanoporen resultiert, welche die Porenform nicht beeinflusst.

Zur Untersuchung der Fließkinetik kommt als Modellsystem das bei Raumtemperatur als amorphe Schmelze vorliegende Homopolymer Polydimethylsiloxan zum Einsatz. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung und eigens entwickelte Modellfunktionen wird gezeigt, dass dessen Fließkinetik innerhalb der Nanoporen zwar qualitativ mit der klassischen Kapillarströmung übereinstimmt, jedoch quantitativ eine Verlangsamung der Füllgeschwindigkeit auftritt. Diese kann durch den Effekt einer adsorbierten Randschicht, welche den effektiven Porenradius verkleinert, erklärt werden.

Die Struktur von Polymeren innerhalb der Nanoporen wird anhand des Modellsystems eines teilkristallinen Polyethylenglycol-Homopolymers untersucht. Röntgenkleinwinkel- und Röntgenweitwinkelstreuung, Rasterkraftmikroskopie sowie Dynamische Differenzkalorimetrie zeigen, dass sich innerhalb großer Nanoporen konzentrische Lamellen ausbilden. Hierbei wird im Rahmen der Röntgenkleinwinkelstreuung ein Modell zur Beschreibung der kombinierten Streuung von Nanoporen und eingeschlossenem Polymer entwickelt. Bei einer Verkleinerung des Porenradius findet man einen Übergang der lamellaren Konfiguration zu ungebogenen Lamellen. Dieser spiegelt sich im Schmelzverhalten der Kristallite wieder. Bezüglich der Kristallitorientierung ergibt sich, dass für beide Lamellenkonfigurationen die PEG-Kettenachse jeweils senkrecht auf der Porenachse steht und das Kristallitwachstum entlang der Poren erfolgt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The aim of this work is the investigation of the structure and flow kinetics of polymers confined in ion track-etched nanopores. Small angle X-ray scattering and atomic force microscopy show that well-defined cylindrical nanopores with radii in the range of a few 10 nm to a few 100 nm can be produced by ion track-etching. In particular, it is demonstrated that atomic layer deposition of SiO2 results in an extremely homogeneous coating of the nanopores, which does not affect the pore shape.

For the investigation of flow kinetics the homopolymer polydimethylsiloxane, which is an amorphous melt at room temperature, is used as a model system. Time-resolved small angle X-ray scattering and specially developed model functions show that the flow kinetics within the nanopores qualitatively agree with classical capillary flow, but quantitatively a slowdown in the filling speed is observed. This can be explained by an adsorbed surface layer which reduces the effective pore radius.

The structure of polymers within the nanopores is examined using the model system of a semicrystalline polyethylene glycol homopolymer. Small and wide angle X-ray scattering, atomic force microscopy and differential scanning calorimetry show that concentric lamellae form within large nanopores. In regards to the small angle X-ray scattering a model is developed to describe the combined scattering of the nanopores and the enclosed polymer. With a decrease of the pore radius a transition of the lamellar configuration to unbent lamellae is found. This is reflected in the melting behavior of the crystallites. Regarding the orientation of the crystallites it is found that for both lamellar configurations the chain axis of the PEG is oriented perpendicular to the pore axis and thus the crystallites grow along the pores.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 113 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics (2021 merged in Institute for Condensed Matter Physics)
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics (2021 merged in Institute for Condensed Matter Physics) > Experimental Condensed Matter Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics (2021 merged in Institute for Condensed Matter Physics) > Polymerdynamik, hydrodynamische Wechselwirkungen, Elektrokinetik, Computersimulationsmethoden
Date Deposited: 17 Feb 2021 12:43
Last Modified: 17 Feb 2021 12:43
DOI: 10.26083/tuprints-00017544
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175446
Referees: Stühn, Prof. Dr. Bernd ; von Klitzing, Prof. Dr. Regine
Refereed: 25 January 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17544
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