Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von ebenen Polysiloxan-Netzwerken und strömungsindizierter Deformation von Polysiloxan-Mikrokapseln im Scherfeld
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2012-02-09
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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.
Description
Table of contents
Keywords
Anstellwinkel, Deformation, Elastizitätsmodul, Mikrokapseln, Polysiloxanmembranen, Scherfeld