Korrelation von molekularer Dynamik und linearen, sowie nichtlinearen mechanischen Eigenschaften von kammartigen Homopolymeren mittels FT-Rheologie und Multiquanten-NMR-Spektroskopie

Das beantragte Projekt umfasst die Untersuchung der molekularen Dynamik von definierten, verzweigten Modell-Homopolymeren und soll einen Beitrag zum Verständnis der grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen der Verzweigungsstruktur und den nichtlinearen rheologischen Eigenschaften liefern. Dafür sollen definierte, kammartig verzweigte Polymerstrukturen aus Polyisopren bzw. Polybutadien mittels lebender anionischer Polymerisation synthetisiert werden. Zum einen werden dabei teildeuterierte (nur Rückgrat oder nur Seitenketten deuteriert) Kammstrukturen für die Multiquanten-NMR-Spektroskopie, sowie für die Rheologie, und zum anderen vollständig protonierte Kammstrukturen ausschließlich für die rheologische Charakterisierung hergestellt. Die Darstellung der Polymerkämme kann über Funktionalisierung des Rückgrats durch Hydrosilylierung oder Epoxidierung erfolgen. Anschließend werden die lebenden Seitenketten mit der grafting-onto Methode auf die eingeführten funktionellen Gruppen aufgepfropft. Die für die teildeuterierten Polymere benötigten Monomere, Isopren-d8 und Butadien-d6, werden selbst synthetisiert oder können auch kommerziell erworben werden.

Die rheologische Charakterisierung konzentriert sich auf Messungen im nichtlinearen Bereich mittels FT-Rheologie. Dadurch sollen der Zusammenhang zwischen Struktur und Nichtlinearität sowie die Detektion der Relaxationszeiten näher untersucht werden. Erstmals sollen auch die wirkenden Normalkräfte während oszillierender Scherexperimente im nichtlinearen Bereich untersucht werden. Durch die Teildeuterierung der Kammstrukturen können mithilfe der Multiquanten-NMR-Spektroskopie die Relaxationvorgänge und die dazugehörigen Relaxationszeiten des Rückgrats und der Seitenketten unabhängig voneinander ermittelt und mit den rheologischen Messungen verglichen werden. Damit ist es möglich, die mechanischen Relaxationsvorgänge molekular besser zu verstehen und die jeweiligen Beiträge in Rückgrat- und Seitenkettenrelaxationen zu separieren. Weiterhin wird es durch entsprechende variable Platzierung eines deuterierten Blocks im Rückgrat möglich sein, die Hierarchie der Relaxationsmoden in der Kammstruktur zu erforschen. Mit einer selbst entwickelten Rheo-NMR Kombination sollen kernmagnetische Relaxationsstudien unter gleichzeitiger oszillierender Scherung durchgeführt werden, wodurch dynamische  Effekte zwischen den Zeit- und Längenskalen der Rheologie und NMR-Spektroskopie untersucht werden können. Über das Projekt hinausgehend soll, in Kooperationen, durch die Simulation der Relaxationszeiten das grundlegende Verständnis der Vorgänge im nichtlinearen Bereich verbessert werden.