Simha-Somcynsky ve Cahn Hilliard kuramlarını kullanarak polimerlerin yüzey serbest hacim derinlik profillerinin çıkarılması
On the extraction of free volume depth profile of polymer surface using Simha-Somcynsky and Cahn Hilliard theory
Yazar: SAYGIN KUZECI
Danışman: PROF. DR. UĞUR YAHŞİ ; YRD. DOÇ. CUMALİ TAV
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Polimerik yapılar = Polymeric structures ; Polimerler = Polymers ; Polimerleşme = Polymerization ; Pozitronlar = Positrons ; Yüzey modelleme = Surface modelling

Özet:
Polimerlerin ve oligomerlerin yüzey gerilimi ve yüzey yoğunluk profili, polimer karışımlarında, ıslanmada, kaplamada, yapışmada ve köpüklenmede önemli bir faktördür ve ayrıca çoğu proseslerin tanımlanması ve anlaşılmasında kapsamlı bir rol oynar. Yarım yüzyıldan beri Cahn-Hilliard (CH) polimer yüzeylerin veya homojen olmayan ara yüzeylerin serbest enerji profilini tasvir eder. CH modeli serbest enerji yoğunluğunu iki katkıyla ifade eder: birincisi sistemin homojen bölgesinden gelen sabit serbest enerjidir ve ikincisi serbest enerjiye yoğunluk gradyent katkısıdır. Sondakinde önemli bir sıcaklık bağımlı parametre olan enerji gradyent katsayısı ? ile bağdaştırılır. Yüzey gerilimi bu serbest enerjiyi kullanarak tesis edilebilir ve gradyent enerji katsayısı parametresi yüzey gerilim verilerinden saptanabilir.Diğer taraftan Simha Somcynky (SS) örgü-boşluk teorisi boşluk kesri cinsinden düşük ve yüksek molekül ağırlıklarının termodinamik özelliklerini tasvir eder. Polimerlerin termodinamik özellikleri, yapısal boşluk kesri gibi bulk özellikleriyle kuvvetli bir şekilde korelasyonu yapılabilir. SS teorisini kullanarak bulkta boşluk kesriyle yüzey geriliminin bir korelasyonu olarak Carri ve Simha tarafından bir inceleme yapılmıştır. SS teorisinin nicelik olarak başarısı, boşluk kesrinin bulktan yüzeye nasıl değiştiğini bulmak için Cahn-Hillard yoğunluk gradyent teorisiyle köprü kurmak için bizi yönlendirmiştir. Bu amaçla Florry-Huggins Ortalama Alan Teorisi (FHMF) ve Örgü Küme Teorisiyle (FHMF'ye daha yüksek mertebelerden katkılarla) tesisi edilen SS teorisinin vasıtasıyla kimyasal potansiyel cinsinden yüzey enerji ve yüzey derinlik profili başarılı bir şekilde türetilmiştir.Çeşitli moleküler ağırlıklarında PE, PEG, PPG, PEGMME, PDMS, PEGDME, PS, CCl4, Benzen ve Siklohekzan numuneleri kullanılmıştır. SS teorisi kullanılarak 313-473 K sıcaklıkları aralığında ve 150 MPa basıncına kadar termodinamik özellikleri özellikler boşluk kesri incelenmiştir.Boşluk kesri (işgal edilmiş sitelerin fraksiyonu) kullanılarak, yüzey gerilimi verileriyle enerji gradyent katsayısı parametreleri çıkarılmıştır. Enerji gradyent parametresi molekül ağırlığı, yoğunluk, sıcaklık ve boşluk kesriyle koralasyonu kurulmuştur. Son olarak bulktan vakuma kadar her bir polimer için değişik sıcaklıklarda işgal edilmiş sitelerin kesrinin profili çıkarılmıştır.

Abstract:
Surface tension and its density profile of polymers and oligomers play an important role in polymer blending, wetting, coating, adhesion, foaming and a comprehensive role in the description and understanding of many processes. Since half a century, Cahn-Hilliard (CH) describes the free energy profile of polymer surfaces or interphases as a inhomogeneous mixture. CH considers the free energy density to be two folds: the first is the constant free energy density for a homogeneous region of the system and the second is the density gradient contribution to the free energy. The latter is associated with an important temperature dependent parameter as the gradient energy coefficient, . Surface tension can be established by using this free energy, and the gradient energy coefficient parameter can be determined from the surface tension data.On the other hand, the lattice-hole Simha Somcynky (SS) theory describes the thermodynamic properties of both low and high molecular weights in terms of hole fraction. The surface thermodynamics properties of polymers are strongly correlated with the bulk properties such as inherently hole fraction. A treatise has been made by Carri and Simha as a correlation of surface tension with the hole fraction in the bulk by means of the SS theory. The quantitative success of the SS theory encouraged us to employ in conjunction with the Cahn-Hillard density gradient theory to inspect how the hole fraction changes from the bulk to surface. In this purpose, we have successfully derived the surface energy and the surface depth profile in terms of chemical potential by means of the SS with the Flory-Huggins Mean Field Theory (FHMF) and the Lattice Cluster Theory (higher order contribution to the FHMF).We have employed some sorted molecular weights of PE, PEG, PPG, PEGMME, PDMS, PEGDME, PS, CCl4, Benzene and Cyclohexane. We examined them using the SS theory to calculate their thermodynamics properties especially the hole fraction in the range of 313- 473 K temperature up to about 150 MPa pressure.Using the hole (or occupied site) fraction, we have extracted the surface tension and the gradient energy coefficient parameters by means of surface tension data. We correlated the scaled energy gradient parameters with molecular weights, density, temperature, and hole fraction. In the end we draw the occupied site fraction profile on the surface for each polymer from bulk to vacuum for different temperature.