Analytik von komplexen Polymeren mittels der Feld-Fluss-Fraktionierung

Abstract

Moderne Polymerwerkstoffe weisen auf Grund von immer spezieller werdenden Anforderungen außer den molekularen meist auch zusätzliche chemische Heterogenitäten auf. Zur Charakterisierung derart komplexer Polymere sind daher neben den Standardtechniken auch neue analytische Methoden notwendig. Eine wichtige Kenngröße von Polymeren ist deren mittlere Molmasse und ihre Verteilung (Polydispersität). Die Bestimmung dieses Parameters, der u.a. für die weitere Verarbeitung und den Einsatz des Werkstoffes wichtig ist, kann bei komplexen Polymersystemen sehr schwierig sein. Einen Ansatz zur Lösung dieses Problems bildet die Auftrennung in Fraktionen mit einheitlichen molekularen und/oder chemischen Eigenschaften. Dazu kann auch die Feld-Fluss- Fraktionierung (FFF) eingesetzt werden. In dieser Dissertation sollen die Einsatzgebiete dieser Methode geprüft und erweitert und ihre Grenzen diskutiert werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass mit der FFF neben der Analytik von Polymeren mit ultrahohen Molmassen, auch Verbindungen mit unterschiedlichen Molmassenverteilungen und verschiedenen chemischen Zusammensetzungen charakterisiert werden können. Eine Kalibrierung mit Standards ermöglicht exakte Aussagen über die vorliegenden Molmassen. Neben Verbindungen mit sehr hohen Molmassen werden auch teilvernetzte Polymere und Gele mit Hilfe der FFF untersucht. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Charakterisierung von elektronenstrahlbehandelten Polyvinylchlorid-(PVC)-Folien mittels Thermischer FFF (ThFFF). Der Einfluss variierender Folienzusammensetzungen und unterschiedlicher Bestrahlungsparameter auf die Molmasse wird aufgezeigt. Es können Molmassen im Bereich von 109 g/mol nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung von Styrol-, Acetylen- und Allylalkoholpolymeren, die durch plasmainitiierte Polymerisation gebildet werden, können ebenfalls Molmassen bis zu 108 g/mol ermittelt werden. Untersuchungen von PS-PI- und PS-PMMA-Diblockcopolymeren in verschiedenen Lösemitteln mittels ThFFF zeigen, dass in einem Lösemittel (Chloroform) die selektive Bestimmung der Molmasse eines Blockes nach Kalibrierung mit den entsprechenden Standards möglich ist. Mit Hilfe der Asymmetrischen Fluss-Feld- Fluss-Fraktionierung (AF4) werden verschiedene Mechanismen der Polymerisation in Sol-Gel-Systemen verfolgt und die daraus resultierenden Unterschiede in der Molmasse detektiert.

Due to higher demands on modern polymeric materials, these substances often contain chemical heterogeneities in addition to molecular heterogeneities. In order to characterise these polymers new analytical methods beside standard techniques are necessary. The average molecular mass and its distribution represent important properties of polymers. The determination of these properties that are important for further processing and application of the polymers can be very difficult due to the complexity of polymer systems. The separation in fractions with uniform molecular and/or chemical properties can be used as an approach to solve these problems. For that purpose the principle of field-flow fractionation (FFF) can be applied. In this thesis, the application of FFF methods shall be validated and extended; the limit of the method will be discussed. This work demonstrates the ability of FFF to characterise polymers with ultra-high masses as well as compounds with varying molecular mass distributions and different chemical compositions. Accurate molecular masses can be obtained after calibration the system with standards. In addition to polymers with very high molecular mass, crosslinked polymers and gels can also be investigated by FFF. One main focus of this work is to characterise electron beam treated polyvinylchloride (PVC) foils using thermal FFF (ThFFF). Depending on the composition of the foils and on the parameter of radiation strong influences on molecular mass were shown. Molecular masses up to 109 g/mol can be detected. Styrene, acetylene and allylalcohol polymers generated by plasma initialised polymerisation have been analysed and molecular masses up to 108 g/mol were observed. PS-PI- and PS-PMMA-diblock copolymers were analysed in different solvents by ThFFF. It was possible to determine selectively the molecular mass of one single block after calibration with corresponding standards. By means of asymmetric flow field-flow fractionation (AF4), different mechanisms of polymerisation in sol-gel systems can be observed and the resulting differences in molecular mass can be detected.