Untersuchungen zum kapillaren Abriss von verdünnten und halbkonzentrierten Polymerlösungen

Abstract

Im Zuge der Arbeit wurden vorwiegend Dehnungsströmungen von Lösungen großer flexibler Moleküle mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht. Genutzt wurden kapillare Instabilitäten und Kontraktionsströmungen. Zusammenhänge von mikroskopischer Struktur und dynamischem Verhalten der Moleküle mit makroskopischen Eigenschaften von Polymerlösungen werden in Doppelbrechungsmessungen an Lösungen von Xanthan und Neutronen Spin-Echo Experimenten an Poly(Etylenoxid) herausgestellt. Als entropische Federn können Polymere die Spannung und damit das Fliessverhalten insbesondere in der Dehnungsströmung dominieren. In Ergänzung bestehender Theorien werden also zwei experimentelle Methoden demonstriert, die mikroskopische Auswirkungen von Dehnungsströmungen nachweisen. Der Hauptteil der Arbeit behandelt verschiedene Arten von Instabilitäten in sukzessiven Stadien des kapillaren Abrisses. Der anfängliche Fluss wird näher charakterisiert. Die Bildung der "Perlen auf der Schnur" Struktur als Konsequenz endlicher Dehnbarkeit der Polymere, wie auch deren Veränderung in ihrer Evolution bis zum eigentlichen Abriss werden analysiert. Direkt und indirekt werden Phasenübergänge und die Bildung verfestigter Polymerfasern in der Dehnungsströmung auch für Konzentrationen deutlich unterhalb technisch üblicher nachgewiesen. Letztlich wird die in den Ergebnissen erreichte Superauflösung erörtert und gerechtfertigt.

In the course of this work different experiments have been performed to examine different solutions of large flexible molecules undergoing predominantly elongational flow. Mostly capillary breakup experiments and contraction flow have been used. Chronologically first relations between microscopic structure and dynamic behavior of polymers on one hand and macroscopic behavior of polymer solutions on the other hand have been pointed out using birefringence measurements for solutions of Xanthane as well as using neutron spin-echo spectroscopy for solutions of poly(ethylene oxide). Acting as entropic springs, polymers may dominate the stress tensor and thus determine especially elongational flow. Supplementing existing theory, two experimental methods have been applied, allowing for a direct proof of the microscopic effects of elongational flow on the molecules. The main part of this work examines several kinds of instabilities occurring during different stages of capillary breakup. The flow in the beginning has been characterized in more detail. The formation of the "beads on a string" structure as a consequence of the finite extensibility as well as its evolution and structural change up to the final breakup has been highlighted. Direct and indirect proof has been given for the presence of phase transitions and solidification of polymer fibers during elongational flow at concentrations considerably lower than technologically common e.g. in electro-spinning. Finally the superresolution presented in the results has been thoroughly discussed and justified.