Computersimulationen zur Vernetzungskinetik, Struktur und Quellung von Modellnetzwerken

vorgelegt von

Hans L. Trautenberg


Betreuer: Prof. Dr. D. Göritz

Endenvernetzte Modellnetzwerke werden mit dem BFM, einem sehr effizienten Gittermodell für die Simulation von Polymeren, in welchem auch höherfunktionale Monomere noch mobil sind, aus der Schmelze erzeugt. Dabei kann sowohl eine reaktions- wie eine diffusionskontrollierte Kinetik eingestellt werden, was bisher in Molekulardynamiksimulationen nicht möglich ist. Die reaktionskontrollierte Kinetik lässt sich für Ausgangsketten, die kürzer als die Verschlaufungslänge sind, über vier gekoppelte Ratengleichungen beschreiben. Oberhalb der Verschlaufungslänge ist dies nicht mehr möglich. Für den diffusionskontrollierten Fall gehorcht die zeitliche Abnahme der unreagierten Kettenenden einem Potenzgesetz mit dem Exponenten -0.25. Der sich in der BFM-Simulation ergebende Zyklenrang pro Netzwerkkette ist gegenüber den Theorien, die kein Eigenvolumen der Ketten berücksichtigen, reduziert. Beim Gleichgewichtsquellgrad wird für die aus der Schmelze erzeugten Netzwerke oberhalb der Verschlaufungslänge ein Plateau beobachtet, welches bei einer Simulation, die die Durchdringung von Ketten erlaubt, verschwindet. In der Simulation wurde gezeigt, dass die Skalentheorie von de Gennes für diese Netzwerke nicht erfolgreich ist, wohl aber für Diamantnetzwerke ohne Verschlaufungen. Das Maximum der Maschengrößenverteilung ist unabhängig von der Ausgangskettenlänge bei 8 Ketten, was eine deutliche Abweichung von den gängigen Modellstrukturen darstellt. Die Anzahl der Verschlaufungen von Maschen pro Masche steigt linear mit der Ausgangskettenlänge und der Belegungsdichte bei der Vernetzung an. Werden die ohne Durchdringung bis zum Gleichgewicht gequollenen Netzwerke mit Durchdringung nachgequollen, so wird eine deutliche Reduktion der Gleichgewichtsbelegungsdichte beobachtet. Zudem lösen sich zirka 90 % der Verschlaufungen von Maschen auf.