Diffusion in Multi-Component Polymeric Systems: Diffusion of Non-Volatile Species

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Wilhelm Schabel
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2006 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 29918251

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Neue Untersuchungen im Rahmen dieses Vorhabens haben gezeigt, dass lokale Konzentrationen nicht flüchtiger Substanzen wie Additive in dünnen Filmen in-situ und während des Herstellungsprozesses bestimmt werden können. Die Mikro-Raman Messtechnik wurde im Rahmen dieses Vorhaben weiterentwickelt, um die Diffusion nicht-flüchtiger Additive in Mehrkomponenten-Polymersystemen systematisch zu untersuchen. Dazu wurden neue Methoden entwickelt, die es erstmals ermöglichen, den Diffusionskoeffizienten von Additiven wie z.B. Weichmachern über einen weiten Zusammensetzungsbereich der untersuchten Stoffsysteme zu bestimmen. Für die Bestimmung wurden für den jeweiligen Bedarf unterschiedliche Messezellen konstruiert und gebaut, um z.B., auch Ausgleichsprozesse in Langzeitversuchen mit einer Dauer von bis zu 1 Monat mit Additivgradienten zu beobachten. Ein Ansatz wurde erstellt, um den Diffusionskoeffizient des Additivs mit modelbasierten Anpassung an gemessene Konzentrationsprofile zu bestimmen. Weiterhin wurde der Einfluss des Additivs auf die Mobilität von Lösemitteln in Mehrkomponentensystemen untersucht. Mit den neuen Methoden ist es möglich, Einflussgrößen wie Lösemittel- und Additivkonzentration, Temperatur, sowie den Einfluss verschiedener Lösemittel und Polymere auf den Diffusionskoeffizientenverlauf einzelner Spezies zu quantifizieren. Es wurden Diffusionskoeffizienten bei unterschiedlichen Feuchtegehalten und Zusammensetzungen erstmals über mehrere Dekaden hinweg bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderung der Zusammensetzung von einer Komponente im gesamten Mehrkomponentensystem, speziell bei geringen Konzentrationen, eine starke Erhöhung der Mobilität der anderen Komponenten bewirkt. Mit Hilfe dieser Daten wurde eine empirische Funktion entwickelt, mit der sich die Abhängigkeit der Diffusionskoeffizientenverläufe einzelner Spezies in Mehrkomponenten Polymerlösungen von der Zusammensetzung (Beladung) der anwesenden Komponenten sehr genau beschreiben lässt.

Publications

• Concentration Profile Measurements in Polymeric coatings during drying by means of Inverse-Micro-Raman-Spectroscopy (IMRS), Raman Update, Horiba Jobin Yvon, No. 3, Page 1-3, 2006
  W. Schabel, et al.
  
• Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht und Diffusionskoeffizienten in Polymerlösungen, VDI-Wärmeatlas, 10. Auflage, Abschnitt Dfb, 2006
  W. Schabel
  
• Diffusion in Multi-Component Polymeric Sys-tems: Diffusion of Non-Volatile Species in thin Films, 7th European Coating Symposium ECS, Paris, 2007
  M. Müller, W. Schabel, R. Cairncross, M. Kind
  
• Mass transfer phenomena in the preparation of optical foils and thin films, Chemie Ingenieur Technik 79 (9), 1489, 2007
  W. Schabel, M. Müller, P. Scharfer, M. Kind, S. Kübler, A. Hartbrich
  
• Mass transfer phenomena of non-volatile components in poly-mer films and foils, Chemie Ingenieur Technik 79 (9), 1483-1484, 2007
  M. Müller, W. Schabel, M. Kind
  
• Sorption and diffusion measurements in ternary polymer–solvent–solvent sys-tems by means of a magnetic suspension balance - Experimental methods and correlations with a modified Flory–Huggins and free-volume theory, Chemical Engineering Science 62, 2007
  W. Schabel, et al.
  
• Stofftransportphänomene nicht flüchtiger Komponenten in Polymerfilmen und Folien, ProcessNet Jahrestagung, Aachen, 2007
  M. Müller, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchungen von Stofftransportphänomenen nicht flüchti-ger Komponenten in Polymerfilmen und Folien, Fachausschuss Wärme- und Stofftransport, Stuttgart, 2007
  M. Müller, W. Schabel, M. Kind
  
• Diffusion in Multi-Component Polymeric Sys-tems: Diffusion of Non-Volatile Species in thin films, European Physics Journal, 1, 2008
  M. Müller, M. Kind, R. Cairncross, W. Schabel
  
• Diffusion of Non-Volatile Species in thin Polymeric Coatings, 14th International Coating Science and Technology Symposium der ISCST, Marina del Rey CA, USA, 2008
  M. Müller, D. Baudy, M. Kind, W. Schabel
  
• Drying Issues and Process Scale up of Solvent Casted Films for Flat Panel Displays and Organic Electronics, 14th International Coating Science and Technology Symposium der ISCST, 7.-10. September, Marina del Rey CA, USA, 2008
  W. Schabel, P. Scharfer, M. Müller, J. Krenn, B. Schmidt-Hansberg
  
• Stofftransportvorgänge nicht flüchtiger Additive in Polymerfilmen und Folien, GVC Fachausschuss Wärme und Stofftransport / Trocknungstechnik, Magdeburg, 2008
  M. Müller, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchung der Stofftransportvorgänge nicht flüchtiger Ad-ditive bei der Herstellung von Polymerfilmen, ProcessNet Jahrestagung, Karlsruhe, 2008
  M. Müller, M. Kind, W. Schabel
  
• Determining mutual Diffusion coefficients of Non-Volatile Species in thin Polymeric Coatings, POLY 2009, Mainz 2009
  K. Peters, M. Müller, P. Scharfer, W. Schabel