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Gas Sorption and Swelling in Glassy Polymers Combining Experiment, Phenomenological Models and Detailed Atomistic Molecular Modeling

  • The behavior of amorphous polymers in contact with gas atmospheres is still an area of both fundamental scientific and applied industrial research. Applications range from the use as barrier materials or protective coatings to active layers in sensor applications (‘artificial nose’) and the large field of gas separation membranes. In all these applications, high concentrations of small penetrant molecules may lead to a plasticization of the polymer. This effect is utilized in processing applications, where supercritical carbon dioxide (CO2) can be used as a plasticizer.4 The phenomenon of penetrant induced plasticization of glassy polymers is also observed in gas separation membranes.5 In the process of natural gas sweetening, the CO2 content of the gas mixture is reduced by separation of the CO2 from the fuel gas methane (CH4) to avoid corrosion of pipelines and to enhance the fuel value. Solubility and diffusivity of the respective gas determine the separation performance of theThe behavior of amorphous polymers in contact with gas atmospheres is still an area of both fundamental scientific and applied industrial research. Applications range from the use as barrier materials or protective coatings to active layers in sensor applications (‘artificial nose’) and the large field of gas separation membranes. In all these applications, high concentrations of small penetrant molecules may lead to a plasticization of the polymer. This effect is utilized in processing applications, where supercritical carbon dioxide (CO2) can be used as a plasticizer.4 The phenomenon of penetrant induced plasticization of glassy polymers is also observed in gas separation membranes.5 In the process of natural gas sweetening, the CO2 content of the gas mixture is reduced by separation of the CO2 from the fuel gas methane (CH4) to avoid corrosion of pipelines and to enhance the fuel value. Solubility and diffusivity of the respective gas determine the separation performance of the membrane material, i.e., the permselectivity. Both parameters are connected to the internal structure of the polymer and its free volume. To achieve high throughputs, e.g. to enhance costeffectiveness, it is desirable to increase the CO2 solubility and mobility. However, the observed plasticization and the associated relaxations in the polymer matrix change its structure and free volume, and thereby affect the selectivity of the material.6 In addition, other properties of the polymer are influenced, e.g. a reduction of glass transition temperature,7 yield stress8 and creep compliance9 have been observed. The origin and mechanism of these structural relaxations are poorly understood, as are the factors that influence solubility and mobility of the plasticizing penetrant. This lack of knowledge leads to a development of new or optimized materials, which is in part determined by trial and error. A deeper understanding of the phenomena that accompany gas sorption on the molecular level is therefore needed to control material properties and enable a targeted design of functional materials. Therefore, in this work, laboratory experiments are combined with detailed atomistic molecular simulations. Modelling. In detailed atomistic molecular modeling, the interactions of an assembly of atoms, e.g. a polymer molecule, are calculated according to known physical laws. Several established analysis methods allow an indirect determination of certain properties of such assemblies, others can even be directly calculated.10 However, CPU-power limits both the size and the simulation time of such assemblies. The size of the simulated packing models used in this work (_ 5000 atoms) ranges among the larger models found in the literature. Forcefield based Molecular Dynamics (MD) simulations are calculated in femtosecond steps, but reliable results are usually not obtained until a nanosecond of net simulation time has been performed. Millions of interactions need to be calculated, making the time effort for these ‘virtual experiments’ comparable to laboratory experiments. However, increasing speed of single processors and the possibility of parallel processing will further reduce the evaluation times for such simulations in the future. The goal of computer simulations is therefore to establish reliable methods to predict material properties. Properties of new materials could then be assessed by simulations first and only the most promising materials need to be synthesized for further testing, reducing the expense of trial and error. Although some methods already exist to predict polymer/gas properties from simulations, which show well agreeing results in ideal circumstances, they frequently fail when applied to less moderate conditions, e.g., high penetrant concentrations, long time scales, large penetrants etc. The aforementioned gas induced plasticization of polymers presents such a case where the gap of time scales between experiment and available simulation time amounts to several orders of magnitude. The time scale of simulations is limited to a few nanoseconds and therefore it is not possible to directly simulate relaxations of the glassy matrix as they are observed experimentally. Experiments, on the other hand, yield results of the real macroscopic system, and though molecular details cannot be observed individually, the accumulated effects permit the analysis through models on a statistical or phenomenological basis. It is the aim of this work to survey new approaches of a combined analysis of experimental and modelling results and to establish, where possible, a convergence of boundary conditions or, alternatively, an identification and isolation of comparable aspects of these seemingly incompatible methods of research. To this effect, phenomenological models are utilized as a means of interpretation of experimental data as well as to construe modelling results.zeige mehrzeige weniger
  • Durchgeführte Arbeiten: In der vorliegenden Arbeit werden grundlegende Fragen zur Gas-Sorption und der damit verbundenen Quellung von glasigen Polymeren untersucht. Dabei wurde eine kombinierte Analyse aus experimenteller Charakterisierung, detailliert atomistischer Modellierung und phänomenologisch-theoretischer Betrachtung angewandt. Drei unterschiedliche Polymere, ein Polysulfon (PSU), ein Polyimid (PI4) und ein neuartiges Polymermaterial (PIM-1), wurden experimentell bezüglich ihrer Sorptions- und Quellungseigenschaften unter CO2- und CH4-Atmosphären bis zu 50 bar charakterisiert. Die Kinetik der Prozesse der experimentell gemessenen Gasaufnahme und Volumendilatation wurde analysiert, wobei zwei Anteile unterschieden werden konnten: Ein diffusiv/elastischer Anteil und ein relaxiver Anteil, der bei längerer Messzeit und höheren Drücken signifikant wird. Zusätzlich zu dieser Ermittlung von Konzentrations-Druck- bzw. Dilatations-Druck- Isothermen (differentielle Messung) wurdenDurchgeführte Arbeiten: In der vorliegenden Arbeit werden grundlegende Fragen zur Gas-Sorption und der damit verbundenen Quellung von glasigen Polymeren untersucht. Dabei wurde eine kombinierte Analyse aus experimenteller Charakterisierung, detailliert atomistischer Modellierung und phänomenologisch-theoretischer Betrachtung angewandt. Drei unterschiedliche Polymere, ein Polysulfon (PSU), ein Polyimid (PI4) und ein neuartiges Polymermaterial (PIM-1), wurden experimentell bezüglich ihrer Sorptions- und Quellungseigenschaften unter CO2- und CH4-Atmosphären bis zu 50 bar charakterisiert. Die Kinetik der Prozesse der experimentell gemessenen Gasaufnahme und Volumendilatation wurde analysiert, wobei zwei Anteile unterschieden werden konnten: Ein diffusiv/elastischer Anteil und ein relaxiver Anteil, der bei längerer Messzeit und höheren Drücken signifikant wird. Zusätzlich zu dieser Ermittlung von Konzentrations-Druck- bzw. Dilatations-Druck- Isothermen (differentielle Messung) wurden sogenannte integrale Sorptions- und Dilatationsmessungen (‘Ein-Schritt’-Messungen) durchgeführt, die als Referenz für eine entsprechende molekulardynamische (MD) Simulation elastischer Dilatationseffekte dienten. Für die detailliert atomistischen MD Simulationen wurden equilibrierte Packungsmodelle der (ungequollenen) Polymere erstellt. Für jeweils einen weiteren Referenzzustand, charakterisiert durch Druck, aufgenommene Gasmenge und Quellung, wurden CO2- und CH4-beladene (gequollene) Packungsmodelle erstellt und durch NpT -MD Simulation equilibriert. Die Packungsmodelle der reinen (ungequollenen) Polymere und der CO2- gequollene Zustand wurden jeweils bezüglich ihres freien Volumens quantitativ charakterisiert. Die gefundenen Unterschiede konnten weiterhin durch eine detaillierte 3D- Visualisierung des Freien Volumens veranschaulicht werden. Für alle Packungsmodelle wurden großkanonische Monte Carlo (gcmc) Simulationen durchgeführt, die jeweils zu Konzentrations-Druck-Isothermen führten. Experimentelle Daten und Simulationsergebnisse wurden in Bezug auf drei theoretische Modelle (Dual Mode Sorption Model (dm), Site Distribution Model (sd), und Non-Equilibrium Thermodynamics of Glassy Polymers (net-gp)) ausgewertet und diskutiert. Außerdem wurden die ungequollenen Packungsmodelle nach experimenteller Spezifikation aus integralen Sorptionsmessungen mit dem jeweiligen Gas beladen und die elastische Dilatation während der folgenden NpT -MD Equilibrierung beobachtet. Ergebnisse: Die konsistente Anwendung der Ergebnisse der kinetischen Analyse führt zu einer verbesserten Übereinstimmung theoretischer Modelle mit dem Experiment und deutlich zuverlässigerer Bestimmung von Modellparametern. Deren physikalische Bedeutung ermöglicht erste Ansätze für eine universelle Beschreibung grundlegender Stofftransporteigenschaften. Eine mögliche Limitierung des sd Modells bezüglich der Anwendbarkeit auf hochfreivolumige Polymere, wie sie im Rahmen dieser Arbeit festgestellt wurde, konnte dahingehend erklärt werden, dass die Gas-Matrix Wechselwirkung eine andere Besetzungsreihenfolge von Sorptionsplätzen bedingt, als bisher vom sd Modell angenommen. Die simulierten Isothermen konnten durch die Einführung eines linearen Übergangs zwischen der jeweils für ungequollenes und gequollenes Packungsmodell berechneten gcmc-Isothermen in gute Übereinstimmung mit dem Experiment gebracht werden. Die Verwandschaft der Methode mit dem net-gp Modell wird erörtert und die Ergebnisse mit der Vorhersage der Sorption des Modells verglichen. Die Freie-Volumen-Analyse zeigt deutliche Unterschiede zwischen den Polymeren PSU und PI4 einerseits und PIM-1 andererseits. In PIM-1 liegt ein großer Teil des Freien Volumens in einer Art losem Verbund einzelner ‘Löcher’ vor, der in dieser Arbeit als ‘Lochphase’ (‘void phase’) diskutiert wird. Im Gegensatz zu den gequollenen Packungen von PSU zeigen diejenigen von PI4 bereits Ansätze zur Bildung einer solchen Lochphase. Diese ist in gequollenen PIM-1 Packungen stärker ausgeprägt. Die gefundenen Größenverteilungen Freier Volumen-Elemente in den ungequollenen Packungsmodellen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den aus der sd Analyse erhaltenen Gaußverteilungen. Außerdem konnte die elastische Dilatation, die in integralen Messungen experimentell beobachtet wird, erfolgreich in entsprechenden MD-Simulationen nachempfunden werden. Ein Zusammenhang zwischen den Abweichungen der Absolutwerte und möglichen anelastischen Reaktionen der Polymeratrix wird diskutiert. Die gute Übereinstimmung experimenteller Ergebnisse mit den Resultaten aus der Simulation sorgfältig ausgewählter Aspekte der Gas-Sorption und Quellung in glasigen Polymeren bestätigt sowohl die Qualität der erstellten Packungsmodelle als auch die Vorteile der generellen Herangehensweise. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Diskrepanz in Zeitskalen von Experiment und Simulation und die daraus resultierende scheinbare Inkompatibilität mit Hilfe hänomenologischer Modelle überbrückt werden kann, und damit wertvolle Erkenntnisse über die zugrunde liegenden Phänomene gewonnen werden.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Ole Hölck
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (35)
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2008
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III − Prozesswissenschaften
Gutachter*innen:Manfred H. Wagner, Dieter Hofmann
Datum der Abschlussprüfung:22.01.2008
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:35
Erste Seite:1
Letzte Seite:135
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Physik
Freie Schlagwörter:Gastransport; Glasige Polymere; Quellung; Simulation; Sorption
gas transport; glassy polymers; simulation; sorption; swelling
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-1235
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-9812072-5-5
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:23.01.2015
Referierte Publikation:Nein
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