Frictional properties of complex polymer brushes
Final Report Abstract
Eine Polymerbürste entsteht durch das Aufpfropfen von Polymerketten auf eine flache Oberfläche. Wenn die Oberflächenbelegungsdichte der Polymere hoch genug ist, werden die Ketten gezwungen, sich senkrecht von der Wand wegzustrecken. Dies hat zur Folge, dass zwei aufeinander gepresste, mit Polymerbürsten beschichtete Oberflächen (Polymerbürsten-Doppelschicht), einen hohen Druck senkrecht zu den Oberflächen tragen können. Gleichzeitig kann die Doppelschicht, wenn die Bürsten gegeneinander geschert werden, den wechselseitigen Überlapp zwischen den Bürsten reduzieren, was zu einer Scherverdünnung, d.h. einem sublinearen Anwachsen des Scherdrucks mit der Scherrate, führen kann. Scherverdünnung und die große Resistenz gegen Druck senkrecht zur Oberfläche sorgen damit bei solchen Polymerbürsten-Doppelschichten zu außerordentlich kleinen Reibungskoeffizienten. Typischerweise werden Polymerbürsten durch das Endverankern von linearen Polymerketten erzeugt. Thema dieses Projekts war herauszufinden, wie sich die Veränderung der molekularen Struktur der aufgepfropften Ketten auf die Lubrikationseigenschaften von Polymerbürsten-Doppelschichten auswirkt. Hierzu wurden Molekulardynamik-Simulationen und skalentheoretische Analysen durchgeführt. Zunächst wurde ein System mit linearen Polymeren als Konstituenten untersucht, wobei an die freien Enden der Ketten ein Nanopartikel, welches zwei- bis vierfach größer als die übrigen, unmodifizierten Monomere war, angebracht wurde. Ein interessantes Ergebnis ist hier der gefundene “Depletion”-Effekt, der zu einer Herabsenkung des Normaldrucks führen kann. Weiterhin untersuchte ich ein System mit endverzweigten, freien Enden. Dieses System ist den von mir früher untersuchten Doppelschichten aus linearen Ketten mit verzweigten Makromolekülen als Lösungsmittel ähnlich. Es konnten wichtige Unterschiede, die für das allgemeine Verständnis der Lubrikationseigenschaften bedeutend sind, herausgearbeitet werden. Hier sind insbesondere das scherinduzierte Verschwinden der bimodalen Verteilung der Kettenenden, wie man sie im statischen Gleichgewicht findet, und das Auftreten von mechanischen Instabilitäten bei Umkehrung der Scherrichtung zu nennen. Vorbereitende Studien zu Doppelschichten aus Flaschenbürsten (Polymerketten mit einem linearen Rückgrad und angehängten Seitenketten) führten auf eine neuartige Skalentheorie zur Beschreibung der molekularen Struktur von Flaschenbürsten und fundamentalen Erkenntnissen zur Zustandgleichung von Polymeren.
