Dynamics of free chains in polymer nanocomposites

Die Dynamik verschränkter Polymerketten in einem mit Nanopartikeln gefüllten Polymer wird mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen eines Modellsystems untersucht. Vorrangiges Ziel ist es zu untersuchen, inwieweit die Reptation von Polymeren, die nicht in direktem Kontakt mit Füllstoffen stehen, im Vergleich zum reinen Material verändert ist. Zu diesem Zweck werden zwei Systeme betrachtet: Ein regulär gefülltes Material, bei dem die Affinität zwischen Füllstoff und Polymer kontrolliert wird, und ein System, bei dem die Perlen, die zu Beginn der Produktionsphase der Simulation mit dem Füllstoff in Kontakt sind, an die Oberfläche des Füllstoffs gefesselt sind. Dieses zweite System stellt den Grenzfall einer langen Polymer-Füllstoff-Anhaftungszeit dar. In diesem Fall richtet sich die Aufmerksamkeit auf die freien Ketten der Schmelze. Die Dynamik in den beiden Modellen ist unterschiedlich. Im gefüllten System wird eine gleichmäßige Verlangsamung für alle Rouse-Moden beobachtet. Der Effekt variiert monoton mit der Füllstoff-Polymer-Affinität. Bis zur Sättigung kann dieses Verhalten durch übliche Modelle mit einem effektiven, affinitätsabhängigen Reibungskoeffizienten erfasst werden. Im System mit aufgepfropften Ketten ist die Rouse-Dynamik der freien Kette identisch mit der des reinen Materials, mit Ausnahme der längsten Moden, die deutlich verlangsamt sind. Noch interessanter ist, dass die Dynamik der freien Ketten auf nichtmonotone Weise von der Polymer-Füllstoff-Affinität abhängt, obwohl die freien Ketten nicht in direkten Kontakt mit dem Füllstoff kommen. Dieser Effekt ist auf kleine Veränderungen in der Struktur der polydispersen Bürste bei Änderung der Affinität zurückzuführen. Insbesondere hängen die Dichte der Bürste und die Menge der Interpenetration von freien und gepfropften Ketten von der Füllstoff-Polymer-Affinität ab. Die Verwendung eines Reptationsmodells mit modifiziertem Rohrdurchmesser zur Erfassung dieses Verhaltens wird diskutiert.