Thermodynamisch-mechanische Modellierung der Gaslöslichkeit in semikristallinen Polymeren unter Berücksichtigung von temperaturabhängigen morphologischen Eigenschaften

Gaslöslichkeit in Polymeren spielt eine zentrale Rolle in der Polymersynthese,
in der Verarbeitung, im Produktdesign sowie im Recycling. In semikristallinen
Polymeren, beispielsweise in Polyethylen, wird die Gaslöslichkeit auch maßgeblich
durch die Morphologie des semikristallinen Polymers beeinflusst, welche gleichzeitig
abhängig von der molekularen Architektur ist. Um ein optimiertes Produktund
Prozessdesign zu ermöglichen, wie unter anderem zur Membranentwicklung,
Gasphasenpolymerisation oder Polymerdekontamination im physikalischen Recycling,
ist es essentiell, physikalisch basierte Modelle zu entwickeln, die in der Lage
sind die Gaslöslichkeit präzise vorherzusagen und so den Zusammenhang zwischen
der molekularen Architektur, der Morphologie und der Gaslöslichkeit aufzuklären.
Herausfordernd dabei ist, dass die Gaslöslichkeit nahezu ausschließlich in den
amorphen Bereichen des semikristallinen Polymers auftritt und diese aufquellen.
Dadurch entwickelt sich ein heterogener mechanischer Spannungszustand, der
zu einem verringerten Löslichkeitsverhalten gegenüber vollständig amorphen
Polymeren führt. In semikristallinen Polymeren herrscht somit ein komplexes
Wechselspiel zwischen temperaturabhängiger Morphologie des Polymers und der
Gaslöslichkeit vor. Diese Arbeit zielt darauf, ein neues physikalisches Modell
zu entwickeln, welches erstmalig durch die Kopplung von Thermodynamik und
Mechanik die temperaturabhängige Polymermorphologie in der Gaslöslichkeitsberechnung
berücksichtigt und diese Eigenschaft in semikristallinen Polymeren
präzise vorhersagt. Die Arbeit zeigt, dass das neue Modell die Gaslöslichkeit für
beliebige Temperaturen im semikristallinen Zustand für verschiedene Mischungen
aus linear niederdichten Polyethylenen (LLDPE), mitteldichten Polyethylenen
(MDPE) und hochdichten Polyethylenen (HDPE) und Ethylen sowie LLDPE /
HDPE und CO2 sehr gut vorhersagen kann. In Bezug auf die Ethylen-Löslichkeit
in Polyethylenen wird gezeigt, dass verschiedene Geometrien der kristallinen
Bereiche bei gleichem Kristallinitätsgrad die Gaslöslichkeit signifikant beeinflussen
und somit die Morphologie ein wesentliches Designkriterium für das gezielte
Einstellen der Gaslöslichkeit ist. Für LLDPE / HDPE und CO2-Mischungen wird
in dieser Arbeit die Löslichkeit von der Schmelze bis hin zum semikristallinen
Bereich untersucht und ein Zusammenhang zwischen Gaslöslichkeit, Morphologie
und molekularer Architektur, ausgedrückt durch die bivariate Verteilung von
Molmasse und Verzweigungsgrad, erstmalig experimentell hergestellt.