Photothermische Strukturierung binärer Polymermischungen

Photothermal Patterning of Binary Polymer Blends

In dieser Arbeit wurde Thermodiffusion in der Polymermischung Polydimethlysiloxan (PDMS) und Polyethylmethylsiloxan (PEMS) untersucht. Für das gesamte Einphasengebiet wurden der Diffusion-,Thermodiffusions-, und Soret-Koeffizient mit Hilfe transienter holographischer Gitter gemessen. Es konnte die Divergenz des Soret-Koeffizienten bei der kritischen Zusammensetzung und die kritische Verlangsamung bei Annäherung an die kritische Temperatur beobachtet werden. Der Thermodiffusionskoeffizient ist naIn dieser Arbeit wurde Thermodiffusion in der Polymermischung Polydimethlysiloxan (PDMS) und Polyethylmethylsiloxan (PEMS) untersucht. Für das gesamte Einphasengebiet wurden der Diffusion-,Thermodiffusions-, und Soret-Koeffizient mit Hilfe transienter holographischer Gitter gemessen. Es konnte die Divergenz des Soret-Koeffizienten bei der kritischen Zusammensetzung und die kritische Verlangsamung bei Annäherung an die kritische Temperatur beobachtet werden. Der Thermodiffusionskoeffizient ist nahezu konzentrationsunabhängig und zeigt eine leichte Temperaturabhängigkeit aufgrund thermischer Aktivierung. Unter Anwendung des Pseudospinodalkonzepts, welches eine kritische Verlangsamung des Diffusionskoeffizienten bei Annäherung an die Spinodale voraussagt, konnte die ungefähre Lage der Spinodalen bestimmt werden. Außerdem ermöglicht die Verwendung des Pseudospinodalkonzepts eine einfache physikalische Parametrisierung der im gesamten Einphasengebiet gemessenen Transportkoeffizienten. Durch Bestimmung des Thermodiffusionskoeffizienten für verschiedene Molmassen und Konzentrationen konnten die Beiträge der verschiedenen Onsagerkoeffizienten zur Thermodiffusion untersucht werden. Es zeigte sich, das keine Onsagerkoeffizienten zur Beschreibung der Thermodiffusion in Polymermischungen vernachlässigt werden dürfen, wie für Kolloide häufig angenommen wird. Eindrucksvoll konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Gleichgewichtsphasendiagramme in Gegenwart von Temperaturgradienten nicht mehr gültig sind. Durch lokales Heizen der Mischung konnte ein Konzentrationsquench aus dem Einphasengebiet in das Zweiphasengebiet beobachtet werden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung der thermischen Strukturierung unter Ausnutzung von Thermodiffusion, welche zum ersten Mal im Einphasengebiet demonstriert werden konnte. Zur quantitativen Auswertung dieser Konzentrationsmodulationen wurde ein Phasenkontrastmikroskop aufgebaut. Mit Hilfe des entwickelten Aufbaus war es möglich beliebige Strukturen im Ein- und Zweiphasengebiet mit Hilfe eines fokusierten Laserstrahls einzuschreiben und zu beobachten. In einer detaillierten quantitativen Analyse wurde die Laserleistungs- und Temperaturabhängigkeit einer eingeschriebenen Linie im Einphasengebiet untersucht. Je größer der Temperaturabstand zur kritischen Temperatur ist, desto geringer ist die erreichbare Konzentrationsverschiebung in der Probe. In Übereinstimmung mit den gemessenen Soret-Koeffizienten nimmt die maximale Modulationstiefe bei Annäherung an die kritische Temperatur stark zu. Aufgrund der kritischen Verlangsamung nimmt jedoch auch die Zeit zur Ausbildung der maximalen Modulationstiefe bei Annäherung an die kritische Temperatur zu. Durch die Bereitstellung einer Parametrisierung der Transportkoeffizienten im gesamten Einphasengebiet konnte von A.Krekhov eine numerische Simulation der thermischen Strukturierung durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass neben dem Soret-Koeffizienten vor allem solutale Konvektion die maximale Modulationstiefe beeinflusst. Außerdem bildete sich durch die Verwendung von Saphirfenstern ein großer Temperaturgradient zu den Fenstern hin aus, welcher die Entstehung einer PEMS Schicht an diesen verursacht. Unter Berücksichtigung des Aspektverhältnisses der erzeugten Phasenobjekte durch einen geometrischen Faktor, zeigten die Ergebnisse der Simulation eine exzellente Übereinstimmung mit dem Experiment. Mit diesem detaillierten Verständnis über Thermodiffusion in einer Polymerschicht könnte thermische Strukturierung zur Erzeugung von transienten Wellenleitern, Phasenplatten und Fresnel Linsen verwendet werden. Ebenfalls wurden in dieser Arbeit verschiedene Konzentrationsmodulationen einer Polymermischung im Zweiphasengebiet untersucht. Zylindersymmetrische Strukturen erwiesen sich als äußerst stabil. Linienartige Strukturen sind nicht stabil und streben stets diesen zylindersymmetrischen Formen entgegen. Aufgrund der schnellen Dynamik, verglichen mit der Entmischungsdynamik in der Probe, können Oberflächen- und Grenzflächeneffekte als treibende Kraft identifiziert werden. Erstmals wurde auch versucht, die theoretisch vorhergesagte forcierte Entmischung im Experiment zu überprüfen. Zur Erzeugung einer periodischen Struktur wurden hierzu bis zu 21 parallele Linien dem Zweiphasengebiet aufgeprägt.show moreshow less
This dissertation deals with thermodiffusion in a polymer blend of polydimethylsiloxane (PDMS) and polyethylmethylsiloxane (PEMS). This work presents transient holographic grating experiments on a polymer blend for concentrations covering the whole concentration range of PEMS and PDMS. A divergence of the Soret-coefficient and the critical slowing down of the diffusion coefficient approaching the critical temperature was found. The thermal diffusion coefficient is found to be virtually independeThis dissertation deals with thermodiffusion in a polymer blend of polydimethylsiloxane (PDMS) and polyethylmethylsiloxane (PEMS). This work presents transient holographic grating experiments on a polymer blend for concentrations covering the whole concentration range of PEMS and PDMS. A divergence of the Soret-coefficient and the critical slowing down of the diffusion coefficient approaching the critical temperature was found. The thermal diffusion coefficient is found to be virtually independent of concentration and varies only slightly with temperature due to thermal activation. Applying the pseudo-spinodal concept, which assumes a critical slowing down of the diffusion coefficient approaching the spinodal, an approximate spinodal temperature of the system can be determined. Furthermore, the pseudo-spinodal concept as a simple physical motivated model allows a parameterization of the measured transport coefficients Measuring the thermal diffusion coefficient for different molar masses and concentrations provided a way to investigate the contributions of the Onsager coefficients to thermal diffusion. It was found that the onsager coefficients contribute almost equally to thermal diffusion. Therefore the assumption of neglecting one, as often used to model colloidal systems, does not seem valid for polymer blends. In a striking experiment it was shown that equilibrium phase diagrams lose their meaning in the presence of a temperature gradient. A polymer blend has been heated locally and queched from the one phase region into the two phase region. The main focus of this work is on thermal patterning using thermal diffusion. For the first time a pattern was created in the one phase region using a focused laser. A phase contrast microscope was built for a quantitative analysis of the concentration modulations. It was possible to write and observe arbitrary patterns in the one phase and two phase region using the developed setup. A detailed analysis of the dependence of a written line on the laser power and temperature was carried out. The bigger the temperature difference to the critical temperature, the smaller the maximum of the achievable concentration modulation. In agreement with the measured Soret-coefficients, the maximum modulation depth increases approaching the critical temperature. On the other hand, due to critical slowing down, the required time for the build up of the maximum concentration modulation also increases. The parameterization of the transport coefficients for the entire one phase region found in this work, made it possible for A.Krekhov to carry out numerical simulations of the thermal pattering. It was found that aside from the Soret-coefficient solutal convection limits the maximum achievable modulation depth. In addition to that, due to a temperature gradient towards the cell windows, a PEMS layer is formed at the cell windows. Taking the aspect ratio of the created phase object into account with a geometrical factor, an excellent agreement was found between the simulations and the experimental data. With all this detailed knowledge thermal patterning might be used for the production of reconfigurable waveguides, phase plates or Fresnel lenses. In this work different patterns in the two phase region of a polymer blend were also investigated. Cylindrical patterns were found to be stable, whereas line-like patterns always decay and eventually become cylindrical. Because of the fast dynamics, compared to the ongoing demixing, surface and interface effects can be identified as the driving mechanisms. For the first time experiments on forced demixing were carried out. Simulations predicted that it is possible to force a demixing polymer blend into a periodic stable state. A pattern consisting of 21 lines was written into the polymer blend to test these theoretical predictions.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Physik
Author: Albert Voit
Advisor:Prof. Dr. Werner Köhler
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Date of final exam:12.07.2007
Year of Completion:2007
SWD-Keyword:Polymer-Blend; Quantitative Mikroskopie; Spinodale Entmischung; Strukturierung; Thermodiffusion
Tag:Einphasengebiet; Phasenübergang
microscopy; polymer blend; thermal diffusion
Dewey Decimal Classification:530 Physik
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-3516
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):12.10.2007