Influence of spatial constraints in non-crystalline regions on the polymer dynamics in semi-crystalline polyethylene: a solid state NMR study

A broad variety of solid state NMR techniques were used to investigate the chain dynamics in several polyethylene (PE) samples, including ultrahigh molecular weight PEs (UHMW-PEs) and low molecular weight PEs (LMW-PEs). Via changing the processing history, i.e. melt/solution crystallization and drawing processes, these samples gain different morphologies, leading to different molecular dynamics. Due to the long chain nature, the molecular dynamics of polyethylene can be distinguished in local fluctuation and long range motion. With the help of NMR these different kinds of molecular dynamics can be monitored separately. In this work the local chain dynamics in non-crystalline regions of polyethylene samples was investigated via measuring 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C chemical shift anisotropy (CSA). By analyzing the motionally averaged 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C CSA, the information about the local anisotropy and geometry of motion was obtained. Taking advantage of the big difference of the 13C T1 relaxation time in crystalline and non-crystalline regions of PEs, the 1D 13C MAS exchange experiment was used to investigate the cooperative chain motion between these regions. The different chain organizations in non-crystalline regions were used to explain the relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. In a simple manner the cooperative chain motion between crystalline and non-crystalline regions of PE results in the experimentally observed diffusive behavior of PE chain. The morphological influences on the diffusion motion have been discussed. The morphological factors include lamellar thickness, chain organization in non-crystalline regions and chain entanglements. Thermodynamics of the diffusion motion in melt and solution crystallized UHMW-PEs is discussed, revealing entropy-controlled features of the chain diffusion in PE. This thermodynamic consideration explains the counterintuitive relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. Using the chain diffusion coefficient, the rates of jump motion in crystals of the melt crystallized PE have been calculated. A concept of "effective" jump motion has been proposed to explain the difference between the values derived from the chain diffusion coefficients and those in literatures. The observations of this thesis give a clear demonstration of the strong relationship between the sample morphology and chain dynamics. The sample morphologies governed by the processing history lead to different spatial constraints for the molecular chains, leading to different features of the local and long range chain dynamics. The knowledge of the morphological influence on the microscopic chain motion has many implications in our understanding of the alpha-relaxation process in PE and the related phenomena such as crystal thickening, drawability of PE, the easy creep of PE fiber, etc.

Untersuchung von Nukleon-Nukleon Korrelationen mit Hilfe der Reaktion 16 O(e,e'pp) 14 C in super-paralleler Kinematik

Im Rahmen dieser Arbeit wurde an derDrei-Spektrometer-Anlage des Beschleunigers MAMI das erstehochauflösende (e,e'pp)-Experiment in super-parallelerKinematik zur Untersuchung kurzreichweitiger Korrelationendurchgeführt. Mit der erzielten Energieauflösung in derAnregungsenergie des Restkerns von ?E_x ? 500 keVkonnten die einzelnen Endzustände der Reaktion¹⁶O(e,e'pp)¹⁴C gut voneinandergetrennt werden. Die Durchführung mehrerer Messungen mitunterschiedlichen Einstellungen der Hadronspektrometer hates ermöglicht, Verteilungen im fehlende Impuls für dieeinzelnen Endzustände von ¹⁴C im Bereich von -100MeV/c bis etwa 300 MeV/c anzugeben. Die apparativen Voraussetzungen für die Durchführung diesesExperimentes wurden durch den Aufbau und die Inbetriebnahmedes Spurdetektors von Spektrometer C im Rahmen dieser Arbeitgeschaffen. Der Detektor besteht aus vier Ebenen vonvertikalen Driftkammern mit einer sensitiven Fläche von(0.34 x 2.32) m². Die Ortsauflösung ist besserals 100 ?m, die Winkelauflösung besser als 0.3 mrad in dendispersiven Koordinaten des Spektrometers. Durch den Einsatzspezieller Programme zur Spurrekonstruktion könnenNachweiswahrscheinlichkeiten von nahezu 100 % erzieltwerden. Nach der Inbetriebnahme von Spektrometer C wurde im Rahmendieser Arbeit die erste Dreifach-Koinzidenz-Testmessung ander Drei-Spektrometer-Anlage vorbereitet und erfolgreichdurchgeführt, sowie die ersten Messungen zum³He(e,e'pp)n-Experiment begonnen. Das bestehendeWassertarget wurde in Betrieb genommen, an die speziellenErfordernisse des C-Experimentes angepaßt und dessenZuverlässigkeit verbessert. Die Ergebnisse des¹⁶O(e,e'pp)¹⁴C-Experimentes wurden mitzwei mikroskopischen Rechnungen, die von realistischenNukleon-Nukleon-Potentialen ausgehen, verglichen, denModellen der Pavia- und der Gent-Gruppe. Der Vergleich zeigtein recht gute Übereinstimmung zwischen Theorie undExperiment. Gerade die gute Beschreibung des Grundzustandesum p_m = 0 MeV/c gibt deutliche Hinweise aufkurzreichweitige Korrelationen im Grundzustand von¹⁶O. Die Untergrundprozesse, insbesondere dieAnregung der ?-Resonanz, werden von den Modellen gutbehandelt. Dies wird durch die sehr gute Beschreibung desÜberganges zum 1⁺ Zustandes bei E_x =11.3 MeV belegt, da dieser Übergang durch die Emission von³P Protonpaare dominiert wird. Bei derBeschreibung des Überganges zum ersten 2⁺ Zustandgibt es noch Diskrepanzen, die eine nicht ausreichendeBeschreibung dieses Überganges durch die theoretischenModelle andeuten.