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Use of dynamic mechanical analysis for the study of glass forming liquids
relaxation dynamics and confinement effects
Madalina Roxana Puica
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Lehramtsstudium UF Physik UF Mathematik
Betreuer*in
Wilfried Schranz
DOI
10.25365/thesis.44818
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29616.84714.485965-1
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Arbeit beschreibt verschiedene Methoden, die bei der Bestimmung der Temperatur des Glasübergangs (Tg) eingesetzt werden, insbesondere die dynamisch-mechanische Analyse (DMA), welche die Elastizität einer Probe durch Oszillationsexperimente ermitteln. Es wurde die glasbildende Flüssigkeit Phenyl-Salicylat (Salol) in porösen Vycor 79330 und Gelsil Matrizen mit einem Perkin Elmer Serie 7 DMA (dynamisch-mechanischem Analysator) untersucht.
Die durchgeführten niederfrequenten Messungen der elastischen Suszeptibilität von Salol in Vycor zeigen die Sensitivität von DMA-Messungen bezüglich des dynamischen Verhaltens von glasbildenden Flüssigkeiten in den Poren einer eingeschränkten Geometrie auf. Diese Methode ermöglicht zu ermitteln, ob “intrinsisches” Confinement beziehungsweise ein Effekt der Porengröße vorliegt, der durch Oberflächeneffekte kompensiert wird. Die Resultate zeigen eine Verstärkung der zweiten Anomalie bei abnehmendem Porenradius. Daraus ergibt sich eine leichtere Unterscheidbarkeit zwischen Confinement und Oberflächeneffekten bei Annäherung des Porenradius an die Korrelationslänge.
Die Daten bezüglich des komplexen elastischen Moduls E* können unter der Annahme des Auftretens zweier unterschiedlicher dynamischer Prozesse ausgezeichnet durch eine entsprechende Ausgleichsfunktion dargestellt werden.
Einerseits findet in der Hauptmasse im Porenkern ein Relaxationsprozess statt, andererseits tritt ein weiterer im Bereich der Porenwand auf, welcher mit steigendem Porenradius ausgeprägter wird. Die Relaxationszeit des Porenkerns verringert sich mit Verringerung des Porenradius und die durch das Confinement induzierte Beschleunigung der Dynamik verursacht eine zum Porenradius indirekt proportionale Verschiebung von Tg.
Höchstwahrscheinlich liegt der Haupteffekt des Confinement in der Unterdrückung der kooperativen Bewegung. Daraus folgt, dass die permanent präsenten Effekte des negativen Drucks nicht den überwiegenden Beitrag zum Verschub von Tg leisten.
Außerdem werden auf der vorliegenden Arbeit aufbauende Anwendungen und Erweiterungen, alternative experimentelle Methoden, sowie verschiedene rechnergestützte Modelle zur Auswertung dieser alternativen experimentellen Daten präsentiert.
Abstract
(Englisch)
This thesis describes a number of techniques that have been employed to measure the temperature of the glass transition (Tg) but focuses on dynamic mechanical analysis (DMA), our method of choice to perform elasticity measurements through oscillatory experiments. Our work investigated the low molecular weight glass-forming liquid phenyl salicylate (salol) confined in Vycor 7930 and Gelsil matrices, and was carried out using a Perkin Elmer series 7 DMA instrument.
Our low-frequency measurements of the elastic susceptibility of salol confined to Vycor glass demonstrate that DMA constitutes a very sensitive method to test the dynamic behaviour of glass-forming liquids in confined systems. This technique allows to investigate if there is an “intrinsic” confinement or size effect that is compensated by surface effects. Our results indicate that for decreasing pore radius, the second anomaly in the loss modulus becomes more pronounced, and as such it makes it easier to distinguish confinement and surface effects for pore sizes that approach the correlation length.
Our complex elastic susceptibility data can be fitted well assuming two types of dynamic processes, a "bulk" relaxation in the core of the pores and a radially increasing "surface relaxation" of molecules in the vicinity of the pore surface. The core relaxation time decreases with decreasing pore radius, and the confinement-induced acceleration of dynamics causes a shift in Tg inversely proportional to the pore radius. Our measurements also suggest that the main cause for the Tg shift is a confinement-induced hindering of cooperativity.
The main effect of the confinement is, most likely, to suppress cooperative motion. Consequently, negative pressure effects, while always present, do not have a major contribution to the Tg shift in confinement.
This thesis also reviews subsequent applications and extensions of this work, as well as various models to analyze the experimental data, and alternative experimental techniques.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Glass transition of liquids mechanical properties of nanostructured materials dynamic mechanical analysis (DMA)
Schlagwörter
(Deutsch)
Glasübergang von Flüssigkeiten mechanische Eigenschaften nanostrukturierter Materialien dynamisch mechanische Analyse (DMA)
Autor*innen
Madalina Roxana Puica
Haupttitel (Englisch)
Use of dynamic mechanical analysis for the study of glass forming liquids
Hauptuntertitel (Englisch)
relaxation dynamics and confinement effects
Paralleltitel (Deutsch)
Verwendung von dynamisch mechanische Analyse zur Erforschung von glasbildenden Flüssigkeiten : Relaxationsdynamik und Confinement-Effekte
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
105 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wilfried Schranz
AC Nummer
AC13728711
Utheses ID
39670
Studienkennzahl
UA | 190 | 412 | 406 |