Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von ebenen Polysiloxan-Netzwerken und strömungsindizierter Deformation von Polysiloxan-Mikrokapseln im Scherfeld
Creators: name: Koleva, Ivanka A.
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2012
Subjects: subject: Anstellwinkel
subject: Deformation
subject: Elastizitätsmodul
subject: Mikrokapseln
subject: Polysiloxanmembranen
subject: Scherfeld
subject: 540

description: Im Rahmen dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften von ultradünnen Polysiloxanmembranen mittels rheologischer Methoden untersucht. Die Deformation und das Orientierungsverhalten von Polysiloxan-Mikrokapseln wurden im Scherfeld in einer von H. Leonhard gebauten Strömungszelle, studiert. Eine Voraussetzung für die Messungen war die Optimierung der mechanischen Parameter im Bezug auf Erhöhung der Qualität und Produktivität der Messungen. Durch konstruktive Verbesserungen des Aufbaus wurden die Zylinderschwingungen und daraus folgende Exzentrizität minimiert und die Zuverlässigkeit der Kraftübertragung zwischen den Motoren und den Zylindern erhöht. Durch die Anfertigung einer neuen Steuerung des Geräts konnte dank der integrierten, automatischen Regelung der Zylinder und der Erkennungsfunktion eine optimale „dynamische Fixierung“ der Kapseln im Spalt und eine bessere Verfolgung der Kapseldynamik für den gesamten Scherratenbereich erreicht werden. Diese Verbesserungen haben zu einer sehr guten Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beigetragen. Für eine Auswertung der Messungen wurde der Canny-Deriche Filter zu einer empfindlichen Konturdetektion und Extraktion eingesetzt. Seine Integration in das Programm ImageJ sowie in eine automatische Lab-VIEW Auswertesoftware erlaubte eine schnelle Bearbeitung mehrerer Filme auf das Niveau einer kommerziell erhältichen Software. Die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften der gebildeten ebenen Octadtrichlosiloxanfilme zeigten, dass in Abhängigkeit des Wassergehaltes des Lösungsmittels, der Lösungsmittelart und der Silankonzentration Membranen mit ausgeprägten elastischen Eigenschaften synthetisiert werden konnten. Für alle Bedingungen wurden permanent vernetzte Membranen erhalten, deren linearviskoelastischer Bereich zwischen 0,4 % und 1 % lag. Der hohe Wassergehalt des Lösungsmittels führte zur Bildung von Membranen mit kleiner Elastizität und ähnlichen Grenzen der linearen Viskoelastizität. Die hohe Viskosität der organischen silanhaltigen Phase verlangsamte die Polymerisation, jedoch konnten anschließend Membranen mit einer gewünschten Elastizität im Bereich zwischen 0,3 N/m und 0,4 N/m gebildet werden. Unter allen Bedingungen konnten Polysiloxannetzwerke synthetisiert werden, die zur Herstellung von stabilen Mikrokapseln mit relativ flexiblen Membranen verwendet wurden. Die Vergleichbarkeit der Untersuchungen erforderte die Herstellung von genau definierten Mikrokapseln. Mit Hilfe einer Mikrofluidik Apparatur mit TQuerströmung konnten Emulsionstropfen mit einer gewünschten Größe (zwischen 100 μm und 400 μm) gebildet und durch Grenzflächenpolymerisation Mikrokapseln erhalten werden. Die relativ enge Größenverteilung der Kapselsuspensionen wurde sowohl mikroskopisch als auch durch Laserbeugungsmessungen bestätigt. Die so hergestellten Mikrokapseln wurden zu Untersuchungen im Scherfeld sowie im Zentrifugalfeld eingesetzt. Aufgrund des kleinen linear-viskoelastischen Bereichs konnten, dank der kurzen effektiven elastischen Ketten die Bruchvorgänge der Kapseln ausführlich untersucht werden, für die zum jetzigen Zeitpunkt sehr wenige experimentelle Ergebnisse vorhanden sind. Es wurde den Einfluss der Membranelastizität und des Viskositätsverhältnises λ zwischen der inneren und äußeren Phase (λ = 0,0012, λ = 0,13 und λ = 1,34) auf das Deformations- und das Orientierungsverhalten der Modell-Mikrokapseln im Scherfeld systematisch untersucht und eine Korrelation mit den vorhandenen theoretischen und numerischen Berechnungen durchgeführt. Durch verschiedene Arten von Messungen wurden die Elastizitäten, der Bereich der linearen Viskoelastizität sowie die scherratenabhängige Orientierungsdynamik der Kapseln ermittelt. Bei einem geringen Wassergehalt des Lösungsmittels und niedrigen Scherraten zeigte sich bei den Mikrokapseln die früher experimentell bei Polyamidkapseln beobachtete „Schwingungsbewegung“ (SW). Es äußerte sich in nahezu symmetrischen Form- und Anstellwinkeloszillationen, deren Grund im Zusammenhang zwischen den kleinen Abweichungen von der Kugelform (a = 0,98 - 0,99), der Membranrotation und dem „shape memory“ Effekt liegt. Für eine hohe Scherrate wurde im Einklang mit den theoretischen Berechnungen die Bildung von stark ausgeprägten Spitzen vor dem Kapselbruch bestätigt. Die Mikrokapseln, die bei einem höherem Wassergehalt des Lösungsmittels hergestellt wurden, zeigten ebenfalls kleine Abweichungen von der Kugelgestalt (a = 0,96 - 0,97), aber eine neue Deformations- und Orientierungsdynamik, die zum ersten Mal experimentell beobachtet wurde und sehr ähnlich der Bewegungsdynamik von nicht-kugelförmigen Partikeln ist. Für diese Mikrokapseln wurden drei unterschiedliche Bereiche festgestellt: „Taumeln“ (TU), „Schwingen“ (SW) und ein „Übergangsbereich“ (UN). Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem experimentell ermittelten Deformations- und Orientierungsverhalten von Polysiloxanmikrokapseln mit den existierenden theoretischen Ansätzen sowie vielen numerischen Berechnungen festgestellt. Insbesondere die experimentelle Bestätigung der von Skotheim-Secomb theoretischen Berechnung der Existenz eines Übergangsbereichs wurde zum ersten Mal experimentell untersucht. In diesem „Übergang“ wurden taumel- (zwischen -50° bzw. (-70°) und +70° bzw. (+90°)) und schwingungsähnliche Oszillationen (zwischen -10° und +70°) beobachtet. Der Einfluss der Viskosität der dispersen Phase auf das Deformations- bzw. das Orientierungsverhalten sowohl für kleine als auch für hohe Scherraten wurde für größere Viskositätsverhältnisse (λ = 0,13 und λ = 1,34) bemerkbar. Für kleine Scherraten und Untersuchungen im LVE beeinflusste die Viskosität der inneren Phase die Kapseldynamik kaum. Im Bereich großer Deformationen zeigten dagegen die hochviskosen Mikrokapseln im Vergleich zu den niedrigviskosen Kapseln einen anderen Bruchmechanismus, der von der Viskosität der dispersen Flüssigkeit bestimmt wurde. Für einige niederviskose Mikrokapseln konnte das Phanomen-scherinduzierte Membranfaltung beobachtet werden. Im Gegensatz zu den früheren Untersuchungen wurde ein anderer Mechanismus der Faltenbildung gezeigt, der eine analytische Beschreibung in der Theorie von R. Finken und U. Seifert findet. Für die Kapseln, die Falteninstabilitäten aufwiesen, wurden im Vergleich zu den anderen Polysiloxanmikrokapseln geringe elastische Module und negative Poissonzahlen erhalten. Ergänzend zu den scherrheologischen Messungen und denen im Scherfeld wurden Untersuchungen im Zenrifugalfeld durchgeführt, um Informationen über den zeitlichen Verlauf der Polymerisation, die Höhe der Young-Module sowie die Grenzen der linearen Viskoelastizität unterschiedlich viskoser Mikrokapseln zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben zu einer umfangsreichen Beschreibung des Verhaltens von Mikrokapseln im Scherfeld sowie der mechanischen Eigenschaften von dünnen Polysiloxanmembranen beigetragen.