Potentials and Limitations of Vibrational Spectroscopy for the Characterisation of Polymers

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

In dieser Dissertation wurden die Möglichkeiten und Grenzen von Schwingungsspektroskopie zur Charakterisierung von Polymeren evaluiert. Die Einsatzmöglichkeiten von Raman- und Infrarot-Spektroskopie um Alterung, Kristallinität bzw. das Interdiffusionsverhalten in Polymeren zu detektieren wurden untersucht. Spezifische Unterschiede in der Sensitivität von Raman- und IR-Spektroskopie zur Detektion verschiedener Alterungsmechanismen in thermoplastischen Polyurethanen (TPU) konnten demonstriert werden. Hierbei wurden TPU UV-Strahlung oder erhöhten Temperaturen für unterschiedliche Zeiten ausgesetzt. Eine hohe Sensitivität von IR-Spektroskopie im Vergleich zur Raman-Spektroskopie konnte für die Detektion von photooxidativ-induzierten Alterungsmechanismen in TPU demonstriert werden. Im Gegensatz dazu zeigte Raman-Spektroskopie eine höhere Sensitivität um thermisch-induzierte Alterungsmechanismen nachzuweisen. Diese unterschiedlichen Sensitivitäten können durch die unterschiedlichen polaren bzw. unpolaren gebildeten Gruppen erklärt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden sowohl das thermische Alterungsprogramm als auch die Auswertung der Ramanspektren erweitert. Die TPU wurden bei unterschiedlichen Temperaturen in Luft- und in Stickstoffatmosphäre gealtert. Die erhöhten Temperaturen führten zur Bildung von Abbauprodukten, welche mit Ramanspektroskopie in Form von neuen Banden sowie Veränderungen der Bandenbreite und Bandenform in Erscheinung traten. Durch Anwendung von Peakfitting der Ramanbanden und anschließende Berechnung der Bandenverhältnisse konnte der Alterungszustand quantitativ erfasst werden. Es konnten eindeutige Korrelationen dieses Bandenverhältnisses mit den Alterungstemperaturen und Alterungszeiten erstellt werden. Weiters wurden methodische Vor- und Nachtteile einerseits an gealterter Polylactiden (PLA) und andererseits an PLA-Stapelfasern eruiert. Die Untersuchungen von gealtertem PLA inkludieren eine Analyse des Einflusses der Morphologie auf die hydrolyse-induzierten Alterungsmechanismen ausgelöst durch den Kontakt mit Lebensmitteln. Es konnten deutliche Einschränkungen von IR- und Raman-Spektroskopie für die Detektion von hydrolyse-induzierten Abbaumechanismen in gealterten PLA gefunden werden. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die Alterungsmechanismen unter den untersuchten Bedingungen zu gering fortgeschritten sind und mittels Raman- und IR-Spektroskopie noch nicht aufgelöst werden können. Die Möglichkeiten und Grenzen von Raman-Spektroskopie zur Detektion der Kristallinität in PLA-Stapelfasern wurden ebenfalls ausgelotet. Hierbei konnte ein starker Einfluss der Orientierungsrichtung relativ zu Polarisationsrichtung des Lasers hinsichtlich der Detektion der Kristallinität demonstriert werden. Erst durch eine adäquate Faserausrichtung ist es möglich Informationen über die Kristallinität abzuleiten. Die Ergebnisse zeigten jedoch auch deutlich, dass Ramanspektroskopie geringe Änderungen im Kristallinitätsgrad aufgrund der Streuung der Ramanspektren nicht unterscheiden kann. Ein weiterer Abschnitt der Dissertation befasste sich mit den Möglichkeiten und Grenzen von Raman-Spektroskopie um Interdiffusion in Polymeren nachzuweisen. Hierbei wurden Linienmessungen mittels konfokaler Raman-Spektroskopie entlang der Grenzflächen von Zwei-Komponenten-Spritzguss-Prüfkörpern durchgeführt. Als wichtige Voraussetzungen für die Anwendungen von Raman-Spektroskopie konnten eine gute Probenpräparation, optimierte Messparameter und das Vorliegen von charakteristischen Raman-Spektren der untersuchten Materialpaarungen identifiziert werden. Eine Auswertung auf Basis der Intensitäten der charakteristischen Ramanbanden wurde herangezogen um Interdiffusion im Bereich der Grenzflächen nachzuweisen. Es konnten Interdiffusionslängen über und unterhalb der lateralen und mengenmäßigen Auflösungsgrenze von Raman-Spektroskopie nachgewiesen werden.

Details

Titel in ÜbersetzungMöglichkeiten und Grenzen von Schwingungsspektroskopie zur Charakterisierung von Polymeren
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hild, Sabine, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Pinter, Gerald, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2015