Anwendung eines neuen thermodynamischen Modells auf die Quellung von Poly(N-isopropylacrylamid)-Gelen in wässrigen Alkohollösungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dreidimensional vernetzte Poly(N-isopropylacrylamid)-Moleküle bilden nichtionische thermosensitive Hydrogele, die experimentell vielfach untersucht wurden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Berechnung des Quellungsgrades in Abhängigkeit von Lösungsmittelzusammensetzung und Temperatur, wobei das Lösungsmittel aus Wasser-Alkoholmischungen besteht, mit Methanol, Ethanol und Propanol als alkoholische Komponenten. Dazu wurde das in einer 2014 erschienenen Publikation von D. Browarzik vorgestellte Quellungsmodell weiterentwickelt, zunächst im binären Bereich mit Wasser oder Alkohol als Lösungsmittel. Die numerische Behandlung des Modells erforderte bislang die Berechnung von Summen mit vielen eng benachbarten Summanden die nun durch Integrale ersetzt wurden, was deutlich kürzere Rechenzeiten bewirkt. Zur Berücksichtigung der Eigenassoziation einer Komponente wurde das chemische Assoziationsmodell CALM eingefügt. Das Quellungsmodell wurde zur Berechnung des Quellungsverhaltens von PNIPAM in Wasser-Alkoholmischungen erweitert. In einem vereinfachten Modell wurde angenommen, das Wasser und Alkohol in dem Verhältnis in das Gel eingebaut werden in dem sie im Lösungsmittelgemisch vorliegen. Ein erweitertes Modell basierte auf der Annahme das Wasser und Alkohol in einem festen Verhältnis, das von dem im Lösungsmittelreservoir abweichen kann, eingebaut werden. Um das Potential der Modelle zur Beschreibung des Quellverhaltens zu testen, wurden die entsprechenden Parameter an experimentelle Daten angepasst. Als Datenquelle dienen die experimentellen Untersuchungen von Althans et al. zum Quellverhalten von PNIPAM in Wasser- Methanol, Ethanol oder Propanolmischungen in Abhängigkeit von Lösungsmittelzusammensetzung und Temperatur. Es wurde der gesamte Datensatz des jeweiligen Alkohols einbezogen (Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit). Zur Parameteranpassung diente die numerische Methode „Simulated Annealing“. Mit dem vereinfachten Modell konnte das Quellverhalten in groben Zügen beschrieben werden. Deutlich bessere Ergebnisse wurden mit dem verbesserten Modell erzielt. Lediglich an den Rändern der Lösungsmittelzusammensetzung bei konstanter Temperatur und in einigen Temperaurbereichen bei konstanter Lösungsmittelzusammensetzung kam es zu Abweichungen. Es konnten ferner Gelverteilungsfunktionen in Abhängigkeit von Lösungsmittelzusammensetzung und Temperatur berechnet werden. Eine weitere Verbesserung der Beschreibung des Quellungsverhaltens sollte ein Modell bringen, das keinen Einschränkungen bezüglich des Verhältnisses von Wasser zu Alkohol im Gel unterliegt und durch Einführung von ECALM zur Berücksichtigung von Kreuzassoziationseffekten. Leider gelang es im Rahmen dieses Projektes noch nicht der schon in der Antragstellung erwähnten numerischen Probleme Herr zu werden.
