Der Einfluss des Molekulargewichts auf die Elastokapillare Verdünnung

Wenn eine Flüssigkeitsbrücke zwischen zwei Oberflächen durch Oberflächenspannung dünner wird, spielt das eine Rolle in verschiedenen alltäglichen Prozessen wie Sprühen und Tropfen. Dieses Dünnerwerden kann gelöste Polymere in der Flüssigkeit dehnen. Wenn der Stress durch dieses Dehnen stärker ist als der Stress durch die Viskosität der Flüssigkeit, tritt ein spezieller Dünnprozess auf, der als elastokapillares Dünnen bekannt ist. Die Zeit, die für diesen Prozess benötigt wird, wird normalerweise mit dem Verhalten des Polymers in der Flüssigkeit in Verbindung gebracht.

Eine Frage wurde aufgeworfen, warum diese Zeit so stark von der Menge des vorhandenen Polymers abhängt, selbst in verdünnten Zuständen, in denen wir erwarten würden, dass sie konstant ist. Forscher bringen diese Abhängigkeit meistens mit Wechselwirkungen zwischen Molekülen in Verbindung, die auftreten, wenn Polymere sich dehnen und verheddern. Unsere Arbeit zeigt jedoch, dass diese Abhängigkeit stattdessen erklärt werden kann, indem wir die Verteilung der Molekulargewichte in realen Polymerproben betrachten, ohne diese Wechselwirkungen heranzuziehen.

#Hintergrund

Das Dünnen und Brechen von Flüssigkeitsbrücken, das durch Oberflächenspannung gesteuert wird, ist sowohl in der Natur als auch in industriellen Prozessen verbreitet. Das reicht von Tintenstrahldruck bis zu Beschichtungsanwendungen. Während einfache Flüssigkeiten wie Wasser sich auf vorhersehbare Weise dünnen, ändert sich das Verhalten, wenn wir Polymere einmischen.

In Fällen mit Polymeren, wenn sich der Flüssigkeitsnacken verengt, fügt das Dehnen der Polymere eine zusätzliche Stressschicht hinzu. Das kann zu einem anderen Dünnverhalten führen, das komplexer ist als das bei einfachen Flüssigkeiten. Forscher messen oft dieses Dünnen, um mehr über die Eigenschaften der Polymere zu erfahren.

Interessanterweise wurde festgestellt, dass die Zeitrahmen in diesem elastokapillaren Regime stark davon abhängen, wie viel Polymer vorhanden ist, selbst bei geringeren Konzentrationen, wo Wechselwirkungseffekte relevant sein sollten. Frühere Erklärungen deuteten darauf hin, dass Polymere, wenn sie sich dehnen, effektiver konzentrierter werden.

Wir konzentrieren uns jedoch auf die Rolle der Verteilung der Molekulargewichte der Polymere. Verschiedene Polymere zeigen unterschiedliche Verhaltensweisen, und diese Verteilung spielt eine Schlüsselrolle im beobachteten Dünnverhalten.

#Molekulargewichtsverteilung

Die Molekulargewichtsverteilung (MWD) bezieht sich auf die Bandbreite von Molekulargewichten, die in einer Polymerprobe zu finden sind. In der realen Welt haben Polymerproben oft eine Mischung aus verschiedenen Molekulargewichten anstelle eines einheitlichen Wertes. Diese Kombination von Gewichten kann beeinflussen, wie sich die Polymere beim Dehnen verhalten.

Wenn Polymere in einer Flüssigkeit während des Dünnprozesses gedehnt werden, reagieren die unterschiedlichen Molekulargewichte unterschiedlich schnell. Der elastische Stress, der durch das Dehnen erzeugt wird, hängt davon ab, wie viele der längeren Ketten tatsächlich in der Lage sind, sich auszudehnen, während sich die Flüssigkeitsbrücke verengt. Infolgedessen variiert der Anteil der MWD, der gedehnt wird und zum Gesamtstress beiträgt, mit der Gesamtkonzentration des Polymers in der Lösung.

Unsere Forschung zeigt, wie wir zwei Arten von Polypropylen – eine mit niedrigem Gewicht und eine mit hohem Gewicht – mischen können. Wenn wir ihre Konzentrationen variieren, erhalten wir Einblicke in dieses Verhalten. Durch das Messen der Dünngeschwindigkeit für verschiedene Mischungen sehen wir, wie die Änderungen in der MWD in der Praxis ablaufen.

#Experimentelle Methoden

Für diese Studie haben wir zwei Arten von ataktischem Polystyrol verwendet, mit genau definierten Molekulargewichten und engen Verteilungen. Wir haben diese Polymere in einem Lösungsmittel vorbereitet und sichergestellt, dass sie in genau definierten Konzentrationen waren. Dann haben wir sie in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt und gemessen, wie sich die Mischungen beim Dünnen verhalten.

Der wichtigste Aspekt der Experimente bestand darin, den Dünnprozess visuell festzuhalten und die Zeit zu messen, die benötigt wird, damit die Flüssigkeitsbrücke bricht. Wir haben spezielle Geräte verwendet, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse zuverlässig und reproduzierbar waren.

#Kapillares Dünnverfahren

Im kapillaren Dünnprozess, wenn die Flüssigkeitsbrücke gebildet wird, beginnt die Oberflächenspannung, die Flüssigkeit in zwei Tropfen zu ziehen. Der verengte Hals der Flüssigkeitsbrücke führt zu einer Zunahme des dehnbaren Flusses. Bei einfachen Flüssigkeiten ist dieser Fluss im Laufe der Zeit linear, aber das ändert sich, wenn Polymere vorhanden sind.

Wenn das Dünnen auftritt, können sich die Polymerketten dehnen und einen elastischen Stress erzeugen, der der Oberflächenspannung entgegenwirkt. Wenn genug Polymer gedehnt wird, übernimmt das elastokapillare Gleichgewicht und verändert das Dünnverhalten. Anstatt einfach wie eine einfache Flüssigkeit auseinanderzubrechen, kann ein Faden entstehen, während sich die beiden Seiten trennen.

#Beobachtungen aus Experimenten

Beim Untersuchen verschiedener Konzentrationen von Polystyrol-Lösungen haben wir festgestellt, dass die Erhöhung der Menge des Polymers mit hohem Molekulargewicht die Zeit, die für den Dünnprozess benötigt wird, erheblich beeinflusste. Bei niedrigen Konzentrationen des Polymers mit hohem Molekulargewicht wurde die Reaktion vom Polymer mit niedrigerem Molekulargewicht dominiert. Bei höheren Konzentrationen verschob sich das Verhalten, was darauf hindeutet, dass das Polymer mit hohem Molekulargewicht die Reaktion antreibt.

#Konzentrationsabhängigkeit

Die Konzentration der Polymerlösung hat einen erheblichen Einfluss auf den Dünnprozess. Als wir die Konzentrationen während unserer Experimente variierten, stellten wir fest, dass geringe Mengen von Polymeren mit hohem Molekulargewicht nicht viel zum Dünnprozess beitragen. Doch mit steigender Konzentration spielen sie eine grössere Rolle.

Dieser Wechsel deutet darauf hin, dass es einen kritischen Konzentrationsschwellenwert gibt, über den sich die Natur des Dünnprozesses ändert. Sobald genügend Polymer mit hohem Molekulargewicht vorhanden ist, passt sich das Dünnverhalten näher an das einer reinen Hochmolekularlösung an.

#Ergebnisse und Implikationen

Aus unserer Forschung sehen wir, dass der Zeitraum für das elastokapillare Dünnen nicht nur von den Wechselwirkungen bei höheren Konzentrationen abhängt, sondern auch von der inhärenten Verteilung der Molekulargewichte innerhalb der Polymerprobe.

Diese Erkenntnis hat Implikationen dafür, wie wir Daten aus Messungen des kapillaren Dünnens interpretieren, insbesondere wenn wir mit kommerziellen Polymeren arbeiten, die möglicherweise nicht über ein einzelnes Molekulargewicht verfügen. Es legt nahe, dass das Verständnis der Molekulargewichtsverteilung entscheidend ist, um das Verhalten von Polymerlösungen genau zu bewerten.

#Fazit

Durch unsere Untersuchungen stellen wir fest, dass sowohl die Konzentration der Polymere als auch ihre Molekulargewichtsverteilung das Verhalten des elastokapillaren Dünnens erheblich beeinflussen. Wenn wir vorankommen, wird es wichtig sein, diese Faktoren bei der Charakterisierung von Polymerlösungen und deren Dynamik zu berücksichtigen, um bessere Vorhersagen und Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu ermöglichen. Unsere Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Studien, die darauf abzielen, die komplexen Details des Polymerverhaltens in kapillaren Prozessen zu erkunden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Messen und Verstehen der Auswirkungen von Polydispersität und Konzentration auf Polymerlösungen klarere Einblicke in die physikalischen Verhaltensweisen während des elastokapillaren Dünnens liefert. Dieses Wissen kann praktische Anwendungen in Industrien verbessern, die auf solche Fluidverhalten angewiesen sind, von Tintenstrahldruck bis zu Beschichtungen und mehr.