Behavior of diblock-copolymers and semi-flexible polymers at interfaces

Abstract

Die Adsorption von Polymerketten an Oberflächen oder an Grenzflächen ist ein wichtiges Thema hinsichtlich der breiten Anwendungmöglichkeiten. Die Adsorption der Copolymere an der Grenzfläche spielt dabei eine wichtige Rolle, um die Eigenschaften der Zwischenflächen zu bestimmen. Sie ist in der Lage, die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche zu verbessern. Auch sind Copolymere als compatibilizers sehr leistungsfähig. Das Adsorptionphänomen des Copolymers an der Grenzfläche in nicht mischbaren Polymeren kann zur Herstellung solcher Mischungen mit optimalen mechanischen Eigenschaften genutzt werden. Der einfachste Copolymeranwärter ist das Diblockcopolymer. Da es eine sehr einfache Struktur hat, ist es mit anderen Arten von Copolymerketten vergleichbar. Das Studium semiflexibler Polymermaterialien auf Oberflächen oder Grenzflächen ist von bedeutenden technologischen Wert bei der Vielzahl der Anwendungen, die von der industriellen Verwertung bis zur Biologie reichen. Diese breiten Anwendungsmöglichkeiten sind hauptsächlich durch die intrinsischen Eigenschaften der Polymerketten bestimmt. Die Steifheit semiflexibler Polymerketten wird durch einen intrisischen Parameter, die sogenannte Persistenzlänge, kontrolliert. Solch eine Länge existiert in der Polymerkette bevor die semiflexible Kette ihre Steifigkeit vollständig verliert und flexibel wird. Der erste Teil der Thesen befaßt sich mit den Zwischenflächen- Eigenschaften eines Diblockcopolymers an einer penetrablen Grenzfläche. Insbesondere wurde das Dichteprofil, die Sreckung und die Oberflächenspannung untersucht. Die Eigenschaften der Interface der Diblock (AB) Copolymere nahe einer Grenzfläche zwischen zwei Lösungsmitteln wurde untersucht, in dem die exakte Greensche Funktion einer Gaußschen Copolymerkette an einer attraktiven penetrablen Grenzfläche verwendet wurde. Es wurde die Streckung des Diblock-Copolymers (die z-Komponente des Kettenendabstands) als Funktion des Abstandes des Verbindungspunktes zur Grenzfläche z, das Dichteprofil p(z) und die Reduktion der Oberflächenspannung Δγc untersucht. Diese Abhängigkeit läßt sich durch das Potenzgesetz Δγc=Nc^-δ beschreiben. Es konnte festgestellt werden, daß δ mit Zunahme von χ abnimmt. Der zweite Teil der Arbeit betrifft die Untersuchung der Adsorption eines semiflexiblen Polymers an einer penetrablen Grenzflläche. Es wurde die Adsorption eines semiflexiblen Polymers an einer penetrablen Grenzflläche und an einer penetrablen Kugel mit isotroper Wechselwirkung und die Adsorption an einer penetrablen Grenzfläche mit anisotroper Wechselwirkung untersucht. Das Potential der Grenzflläche wurde durch ein Potentialtopf der Tiefe W0 und der Breite a modelliert. Es konnte festgestellt werden, daß für die Adsorption von semiflexiblen Polymeren die Eigenschaften des adsorbierten Polymers (Crossoverlänge, Dichteprofil, etc.) explizit von der Breite des Potentialtopfes a abhängt. Die Crossoverlänge wurde als Funktion der Stärke der Anziehungskraft W0a berechnet. Es wurde gezeigt, daß im Vergleich zu flexiblen Polymeren semiflexible Polymere leichter adsorbieren. Es konnte gezeigt werden, daß mit Zunahme der Persistenzlänge das Dichteprofil einen ausgeprägten nicht exponentiellen Abfall als Funktion des Abstandes zur Grenzfläche zeigt.

The adsorption of polymer chains at surfaces or interfaces is an important subject in wide range of applications. The adsorption of the copolymers at interfaces (liquid-liquid interface) plays an important role in determining the interfacial properties. It is capable to improve the mechanical properties of the interfaces. Also they are very efficient as compatibilizers. The adsorption phenomenon of the copolymer at interface in immiscible polymer blends systems results in producing optimal mechanical properties of such blends. The simplest copolymer candidate is the diblock copolymer. This is because it has a very simple structure compared with the other kinds of copolymer chains. As an example the diblock compatibilizer of P(S-b-MMA) is a good agent for experimental realizations. Also studying the adsorption of semiflexible polymeric materials onto surfaces or interfaces is of significant technological importance in variety of applications ranging from industry to biology. These wide range of applications are determined preliminary by an intrinsic character of the polymer chain. This stiffness character of the semiflexible polymer chain is controlled by an intrinsic parameter called the persistence length lp. Such a length exists in the nature of the polymer chain, beyond which the semiflexible chain looses its stiffness completely and begins exhibiting the flexible nature. The first part of the thesis was concerning with the interfacial properties of a diblock copolymer at penetrable interfaces. In particular we studied the density profiles, the stretching, and the interfacial tension. These interfacial properties of diblock (AB) copolymers near an interface between two solvents are studied by using the exact Green's function of a Gaussian copolymer chain at an attractive penetrable interface. We have studied the mean-square end-to-end distance of the copolymer, <R2(z)>, as a function of the distance of the joint point of the copolymer to the interface, z, the segment density distribution p(z), and the reduction of the interfacial tension Δγc due to the presence of the diblock copolymer. The density profile and the stretching of the copolymer chain are in agreement with both experimental results and simulations. The reduction of the interfacial tension is found to decrease with the increase of the degree of polymerization of the copolymer chain. A simple scaling law for the reduction of the interfacial tension is derived. The second part of the work focuses on studying the adsorption of a semiflexible polymer chain onto a penetrable interface. The adsorption of a flexible and a semiflexible polymer chain onto a penetrable sphere, and the adsorption of a semiflexible polymer onto a structured interface in the framework of the integral equation for the Green's function of polymer chain has been discussed. In this part we confirmed the old studies concerning the adsorption of a semiflexible polymer at interfaces, and found that it adsorbs easier than the flexible one. Also we have found that in contrast to the adsorption of a flexible polymer, the distribution of the free end of the semiflexible polymer decays non-exponentially as a function of the distance to the interface.