Fourier-transform rheology on anionically synthesised polymer melts and solutions of various topology

Aim of this thesis was to further extend the applicability of the Fourier-transform (FT) rheology technique especially for non-linear mechanical characterisation of polymeric materials on the one hand and to investigated the influence of the degree of branching on the linear and non-linear relaxation behaviour of polymeric materials on the other hand. The latter was achieved by employing in particular FT-rheology and other rheological techniques to variously branched polymer melts and solutions. For these purposes, narrowly distributed linear and star-shaped polystyrene and polybutadiene homo-polymers with varying molecular weights were anionically synthesised using both high-vacuum and inert atmosphere techniques. Furthermore, differently entangled solutions of linear and star-shaped polystyrenes in di-sec-octyl phthalate (DOP) were prepared. The several linear polystyrene solutions were measured under large amplitude oscillatory shear (LAOS) conditions and the non-linear torque response was analysed in the Fourier space. Experimental results were compared with numerical predictions performed by Dr. B. Debbaut using a multi-mode differential viscoelastic fluid model obeying the Giesekus constitutive equation. Apart from the analysis of the relative intensities of the harmonics, a detailed examination of the phase information content was developed. Further on, FT-rheology allowed to distinguish polystyrene melts and solutions due to their different topologies where other rheological measurements failed. Significant differences occurred under LAOS conditions as particularly reflected in the phase difference of the third harmonic, Ħ3, which could be related to shear thinning and shear thickening behaviour.

Einfluß von Topologie und Verscherung auf Dynamik und mechanische Parameter bei Homopolymeren

Die FT-Rheologie wird zur Unterscheidung verschiedener Kamm-Topologien in Polystyrollösungen und –schmelzen angewendet. Die Polystyrole werden in Abhängigkeit der Deborahzahl De unter LAOS-Bedingungen vermessen. Die Meßergebnisse zeigen, daß der Schritt von wohldefinierten Systemen (lineare Ketten, Sterne) zu solchen mit statistischer Verteilung wie in Kämmen zu großen Veränderungen sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Bereich der rheologischen Messungen führt. Sowohl die Masterkurven als auch die Intenstiäten I3/1 und Phasen Phi3 der Nichtlinearitäten der einzelnen Proben weisen jeweils deutliche Unterschiede untereinander auf. Diese sind durch die bisherigen Ergebnisse noch nicht vollständig mit topologischen Merkmalen in Verbindung zu bringen. Die Messungen wurden mit dem von McLeish eingeführten Pom-pom Modell und daraus weiterentwickelten double convected-Pom-pom Modell (DCPP) simuliert und lieferten gute Übereinstimmung sowie auch Vorhersagen über den experimentell nicht mehr zugänglichen Bereich. Zur Untersuchung des Einflusses von mechanischer Scherung auf die lokale, molekulare Dynamik wird das LAOS-Experiment in situ mit dielektrischer Spektroskopie kombiniert. Dazu wurde eine Apparatur entwickelt, die das hochsensitive ARES-Rheometer mit dem hochauflösenden dielektrischen ALPHA-Analyzer verbindet. Mit dieser Apparatur wurde das Typ-A Polymer 1,4-cis-Polyisopren, mit einem Dipolmoment entlang des Rückgrats, bei oszillatorischer Scherung unter gleichzeitiger Aufnahme eines dielektrischen Spektrums vermessen. Es konnte gezeigt werden, daß die oszillatorische Verscherung weder die charakteristische Relaxationszeit noch die Form des Normal Mode Peaks beeinflußt, wohl aber die dielektrische Stärke Delta epsilon. Diese entspricht der Fläche unter dem e“-Peak und kann mit einer Debye- und einer Cole/Davidson-Funktion angepasst werden. Die Abnahme der dielektrischen Stärke mit zunehmender Scheramplitude kann mit der Orientierungsverteilung der End-zu-End-Vektoren in der Probe erklärt werden.

Synthesis of monocyclic and linear polystyrene using the reversible coupling/cleavage of thiol/disulfide groups

By carefully controlling the concentration of alpha,omega-thiol polystyrene in solution, we achieved formation of unique monocyclic polystyrene chains (i.e., polymer chains with only one disulfide linkage). The presence of cyclic polystyrene was confirmed by its lower than expected molecular weight due to a lower hydrodynamic volume and loss of thiol groups as detected by using Ellman's reagent. The alpha,omega-thiol polystyrene was synthesized by polymerizing styrene in the presence of a difunctional RAFT agent and subsequent conversion of the dithioester end groups to thiols via the addition of hexylamine. Oxidation gave either monocyclic polymer chains (i.e., with only one disulfide linkage) or linear multiblock polymers with many disulfide linkages depending on the concentration of polymer used with greater chance of cyclization in more dilute solutions. At high polymer concentrations, linear multiblock polymers were formed. To control the MWD of these linear multiblocks, monofunctional X-PSTY (X = PhCH2C(S)-S-) was added. It was found that the greatest ratio of X-PSTY to X-PSTY-X resulted in a low M-n and PDI. We have shown that we can control both the structure and MWD using this chemistry, but more importantly such disulfide linkages can be readily reduced back to the starting polystyrene with thiol end groups, which has potential use for a recyclable polymer material.

Poly(3-hexylthiophene) based block copolymers prepared by "click" chemistry

p-Conjugated block copolymers have been prepared from terminal azide functionalized polystyrenes (PS) and alkyne functionalized poly(3- hexylthiophene)s (P3HT) via a copper(I) catalyzed Huisgen [3 + 2] dipolar cycloaddition reaction. The functionalized a-azido-PS homopolymer was prepared by atom transfer radical polymerization from a specifically designed initiator bearing the azide function, whereas ?-ethynyl-P3HT and a,?-pentynyl-P3HT were synthesized by a modified Grignard metathesis polymerization using alkynyl Grignard derivatives. The electronic environment of the alkynyl end groups was shown to be decisive in determining triazole ring formation.