Dokument: Charakterisierung von Polymeren mittels Femtosekunden-stimulierter Raman-Mikroskopie

Titel:	Charakterisierung von Polymeren mittels Femtosekunden-stimulierter Raman-Mikroskopie
Weiterer Titel:	Characterization of polymers by femtosecond stimulated Raman microscopy
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=51765
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20191211-101050-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Nixdorf, Jakob [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,54 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.12.2019 / geändert 10.12.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Gilch, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Egelhaaf, Stefan U. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Diese Arbeit befasst sich mit der Anwendung der Femtosekunden-stimulierten Raman-Mikroskopie (FSRM) zur Untersuchung von Polymeren. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren der nicht-linearen Raman-Bildgebung, welches im Jahr 2007 von unserer Gruppe erstmals vorgestellt wurde. Es erlaubt die Aufnahme von Raman-Bildern mit sehr kurzen Messzeiten, wobei die nahezu komplette spektrale Information der Probe genutzt wird. Da es sich bei der FSRM um eine neue, in unserer Gruppe entwickelte Messmethode handelt, kam es in dieser Arbeit neben der Untersuchung von Polymeren auch zu einigen methodischen Weiterentwicklungen in Form von Modifikationen des FSRM-Instruments. Zum eine wurde dazu die Ein/Aus-Modulation des verwendeten Faser-Verstärkers verbessert, sodass eine Schädigung der Polymer-Materialien durch den Laser verhindert werden konnte. Weiterhin wurde das Scannen des Lasers über die Probenoberfläche optimiert, womit eine schnellere Aufnahme der Raman-Bilder ermöglicht wurde. Neben den Modifikationen des Aufbaus wurde außerdem eine komplett neue Auswertungssoftware zur Analyse der aufgenommenen Daten entwickelt. Im Rahmen einer einzelnen FSRM-Messung entsteht eine große Menge an Daten (mehrere GB für ein einzelnes Bild). Während längerer Messungen im Rahmen dieser Arbeit wurden dabei sogar Datenmengen von über 1 TB erreicht. Damit diese großen Mengen an Daten erfasst und untersucht werden können, musste eine eigene Software entwickelt werden. Neben dieser eigens entwickelten Software wurde auch das kommerzielle Programm ImageLab zur Auswertung von Raman-Mikroskopie-Daten getestet. Für die Analyse einzelner Raman-Bilder erwies sich dieses Programm als sehr vielversprechend. In dieser Arbeit wird die Femtosekunden-stimulierte Raman-Mikroskopie zur Untersuchung von zwei unterschiedlichen Fragestellungen der Polymer-Forschung eingesetzt. Die erste dieser Fragestellungen behandelt die Bestimmung der Mikrostruktur von sog. Polymerblends. Dies sind Mischungen aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Polymeren. Je nach Verhältnis der einzelnen Polymer-Anteile und den Parametern des Herstellungs-Prozesses können sich unterschiedliche Mikrostrukturen in den Blends ausbilden. Diese Struktur trägt entscheidend zu den mechanischen und chemischen Eigenschaften des Materials bei. Zur Untersuchung dieser Strukturen ist ein Verfahren nötig, welches die chemischen Komponenten (die einzelnen Polymere) der Proben örtlich aufgelöst darstellen kann. Eine solche Methode ist durch die Raman-Mikroskopie gegeben, wobei die Femtosekunden-stimulierte Raman-Mikroskopie es ermöglicht ein Raman-Bild einer solchen Probe in wenigen Minuten aufzunehmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Polymerblend aus zwei Komponenten, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), untersucht. Hierbei wurden Raman-Bilder verschiedener Proben in wenigen Minuten aufgenommen, anhand derer es möglich war, die Mikrostruktur der Blends zu analysieren. Nachdem in der ersten Fragestellung eine statische Eigenschaft von Polymerblends untersucht wurde, befasst sich die Zweite mit einem dynamischen Prozess: der Aufnahme von Lösungsmitteln in Polymeren. Dieser Prozess spielt bei einer Vielzahl von Anwendungen von Polymeren eine große Rolle. So werden z.B. Gefäße aus Polymere häufig zum Lagern von Flüssigkeiten eingesetzt, wobei die Wechselwirkung der gelagerten Flüssigkeit mit dem Gefäß eine entscheidende Rolle spielt. In dieser Arbeit wurde dabei speziell die Aufnahme von Methanol in Polymethylmethacrylat (PMMA) betrachtet, ein Standard-System welches schon sehr lange untersucht wird. Allerdings ist es, trotz der eingehenden Untersuchungen, bis heute nicht möglich gewesen die genaue Natur des Aufnahme-Prozesses herauszufinden. Für eine Analyse dieses Prozesses ist es nötig, die Konzentration des Lösungsmittels innerhalb des Polymers räumlich und zeitlich aufgelöst verfolgen zu können. Mit Hilfe der Raman-Mikroskopie kann diese Konzentration anhand der Raman-Spektren bestimmt, und damit ihre Verteilung innerhalb der Probe untersucht werden. Zusätzlich ist es, durch die hohe Messgeschwindigkeit der FSRM, möglich diese Untersuchung in bestimmten Zeitabständen zu wiederholen. Auf diese Weise konnte im Rahmen dieser Arbeit der Aufnahme-Prozess genau verfolgt und erstmalig in Form von zeitabhängigen Konzentrations-Profilen des Methanols innerhalb der PMMA-Probe dargestellt werden. Hierbei ist zu beobachten, dass sich die Konzentrations-Profile durch eine scharfe Front auszeichnen, an der die Methanol-Konzentration von einem vorher nahezu konstante Wert auf Null abfällt. Mit voranschreitender Zeit wandert diese Front vom Rand der Probe, welcher mit dem Methanol in Kontakt steht, weiter in deren Zentrum. Der im Rahmen dieser Arbeit aufgenommene Datensatz stellt eine wichtige Grundlage zur weiteren Untersuchung und theoretischen Modellierung des Prozesses der Lösungsmittel-Aufnahme in Polymeren dar. Zusätzlich wird hierdurch die FSRM als geeignete Technik zur Analyse dieser Art von Prozesse vorgestellt. This thesis deals with the analysis of polymer samples by femtosecond-stimulated Raman-microscopy (FSRM). FSRM is a method of non-linear Raman imaging which was first introduced by our group in 2007. It enables the recording of Raman images utilizing nearly the full spectral information of the sample with very short acquisition times. Since FSRM is a new technique developed by our group, this thesis also contains some methodical development besides the application to polymer sciences. For one, the on/off-modulation of the utilized fiber amplifier was improved, which leads to a suppression of the damage in the polymer samples caused by the laser. Furthermore the scanning of the laser across the sample surface was improved, leading to faster recording speeds for the Raman images. Besides modifications of the experimental setup, a complete new software for analysing the recorded data was developed. Because of the high recording speeds employed in FSRM, a large amount of data is produced in a very short time (multiple GB for one single image). During a single longer measurement performed as part of this thesis, data of more than one TB was acquired. To analyse this amount of data, a custom software had to be developed. In addition to the development of this software, a commercial solution for analysing Raman imaging data was evaluated. For the analysis of single Raman images this commercial solution proved to be promising. As part of this thesis, femtosecond-stimulated Raman-microscopy was employed to investigate two different topics in polymer science. The first one is the analysis of the microstructure of polymer blends. These blends are a mixture of two or more different polymers. Depending on the ratio of the components and the parameters of the production process they can form different microstructures. Those structures have a strong impact on the physical properties of the material. For analysing them a technique is needed that is capable to spatially resolve the different chemical components (polymers) in the sample. Raman imaging is such a technique and specifically FSRM allows to record one image of such a sample in just a few minutes. During this thesis a polymer blend consisting of two components, poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(styrene-co-acrylonitrile) (SAN), were investigated. It was possible to record images of the samples in just a few minutes, which allowed for a clear identification and analysis of the microstructure of such a blend. Whereas in the first topic a static property of polymers was investigated the second one treats a dynamic one. This process is the uptake of solvents into polymers, which plays an important role in a lot of applications of polymers. One example for such an application would be the use of polymer containers to store liquids. In that case the exact interaction between the polymer and the stored liquid needs to be fully understood. As part of this thesis the uptake of methanol into PMMA was investigated, which is a standard example for this kind of system and has already been investigated extensively. Despite those investigations, it has not yet been possible to fully understand the exact nature of the uptake process. To analyse this problem, the spatial distribution of the solvent inside the polymer needs to be evaluated as a function of time. Raman microscopy is able to determine this spatial distribution by analysing the Raman spectra. And thanks to the high acquisition speed of FSRM, it is possible to repeat this determination in specified time intervals. That way the uptake process can be recorded. In this thesis the process is represented by concentration profiles of methanol inside the sample for different times. Those profiles exhibit a very characteristic sharp drop in concentration from a almost constant value to zero. With time the position of this drops moves further into the sample. The data collected during this thesis provides a solid basis for further investigations and theoretical modelling of the solvent uptake in polymers. Furthermore it establishes FSRM as a suitable technique for investigating these type of processes.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie
Dokument erstellt am:	11.12.2019
Dateien geändert am:	11.12.2019
Promotionsantrag am:	01.10.2019
Datum der Promotion:	26.11.2019