spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB


“Ik heb een opstelling gebouwd om de eigenschappen van magnetische tunneljuncties te bepalen.”
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook

‘Shaken not stirred’

Plastic druppeltjes in de verdrukking

5 juni 2008 - Regendruppels op een ruit: zo zien de foto’s in het proefschrift van Carmela Tufano er uit. “En ik heb een hekel aan regen”, bekent de Italiaanse PhD. In werkelijkheid zijn het microscopisch kleine druppeltjes vloeibare polymeren. Zij heeft de afgelopen vier jaar mengsels van polymeren onderzocht en daarbij vooral gekeken naar de druppelvorming in zo’n mengsel onder verschillende omstandigheden.

“Dit is zowel interessant voor microscopische toepassingen om micronemulsies te maken, als voor bulkprocessen”, zegt Tufano. “In de polymeer- verwerkende industrie is het voordelig om te weten onder welke omstandigheden de polymeren gemengd moeten worden, om een bepaald eindresultaat te krijgen. Bijvoorbeeld onder welke temperatuur en met welke moleculaire massa? Het bespaart kosten als het eindproduct door betere productieomstandigheden constanter van kwaliteit is met minder uitval.”

Voor haar experimenten heeft Tufano veelvuldig twee polymeren met elkaar gemengd. Daarbij gebruikte ze stoffen die olieachtig vloeibaar zijn op kamertemperatuur, zoals verf. “Eén stof werd daarbij constant gehouden, een siliconen elastomeer.” Deze silicoonolie (PDMS) wordt onder meer gebruikt in de elektronische industrie om componenten te beschermen tegen milieu-invloeden. De variabele stof was bijvoorbeeld polybuteen (PB). Deze kit wordt als kleefmiddel of afdichtingskit gebruikt. Maar het hadden ook andere gedeeltelijk mengende polymeren kunnen zijn.

Net zoals olie en water, twee stoffen die niet mengbaar zijn op moleculair niveau, vormen deze twee polymeren druppels in een andere vloeistof. “In dit geval waren de druppels 40 micron klein, zodat het systeem kon worden bestudeerd met een minimale hoeveelheid materiaal.” Zo weinig zelfs, dat ze voor haar hele onderzoek slechts een liter of twee nodig had.

Mengsels
Tijdens schuiven van het mengsel tussen twee plaatjes spelen zich twee tegenovergestelde processen gelijktijdig af: het opbreken en samengaan van deze druppels. Daarbij speelt onder meer de grensvlakspanning van een druppel een belangrijke rol. Dat is de spanning die een druppel naar een ronde vorm wil laten terugkeren. Normaal is het zo dat deze spanning gedurende het mengen constant blijft. Als er uiteindelijk een evenwicht tussen opbreken en samengaan gevonden is, behouden de druppels hun grootte en blijft het mengsel stabiel.

“Bij een polymeer als polybuteen is echter iets speciaals aan de hand. Als je een mengsel met deze stof tussen twee plaatjes afschuift, is de grensvlakspanning in eerste instantie niet constant. Eerst wordt deze lager en na een bepaalde tijd weer hoger en uiteindelijk blijft deze wel constant.”

Wat gebeurt er eigenlijk? Tufano: “Als je het polybuteen mengt, zullen in eerste instantie moleculen van deze stof zich buiten de druppel begeven. Dit heet diffusie. We vermoedden dat dit komt, omdat deze stof veel kleine moleculen heeft die gemakkelijker uit de druppel ontsnappen dan grotere moleculen.” Daarom herhaalde ze de experimenten met een stof die veel minder van deze kleine moleculen heeft. “En inderdaad, daar zie je dat de oppervlaktespanning veel minder in de tijd veranderd. Een duidelijk verschil.”

Brug
“Een ander effect van de moleculen die uit de druppel migreren, is dat zij als het ware een brug vormen naar een andere druppel in de buurt en dat hierdoor druppels makkelijker samengaan. Druppeltjes zonder kleine moleculen doen dat niet. Ook als de druppels heel dicht bij elkaar worden gehouden, gaan ze niet samen. Ze stoten elkaar zelfs af.”

Tufano vertelt dat er nog iets bijzonders aan de hand is: “Volgens de theorie zouden druppels niet groter kunnen worden dan een bepaalde kritieke waarde. Als ze groter worden, zouden ze opbreken. Deze druppels werden echter groter dan voorspeld.”

Een ander deel van haar onderzoek richtte zich op het gedrag van druppels met een beperkte bewegingsruimte. Tufano legt uit: “Druppels die de vrijheid hebben, liggen een beetje scheef. Een soort scheve ellipsen, als je ze van de zijkant zou kunnen bekijken. Wij konden dat niet daadwerkelijk bekijken, maar we konden de hoek wel afleiden met een formule en van de druppelvorm vanaf de bovenkant gezien. Als druppels in de verdrukking zitten, gaan ze horizontaal liggen en hebben dus een hellingshoek van nul graden. Dit komt goed overeen met modellen. Dat effect van de wanden is aanwezig voor ingesloten druppels, waar de diameter van een druppel vergelijkbaar is met de afstand tussen de twee wanden.”

Parelkettingen
Tufano heeft dit effect systematisch bestudeerd. “Als je het mengsel bijvoorbeeld langzaam over elkaar schuift in zo’n beperkte ruimte, krijg je een parelkettingachtige structuur, en zelfs lange draden, die je nooit zou krijgen als de druppels vrij stromen”, vertelt ze. “Zo kun je bijvoorbeeld semiconductors maken of een sterke vezel.”

Tufano is zeer te spreken over de samenwerking in haar vakgroep Materials Technology en over de onderzoeksfaciliteiten van de TU/e. “De apparatuur is hier uitstekend en er is heel veel mogelijk. Hierdoor kun je eenvoudig datgene onderzoeken wat je wilt. Je hoeft niet heel lang te wachten voor je aan de slag kunt. Ook mijn promotor en copromotor gaven mij de vrijheid om beslissingen te nemen over mijn onderzoek. Natuurlijk ben ik daarbij de nodige doodlopende paden ingeslagen en weer uitgelopen. Dat is onvermijdelijk, maar erg leerzaam. Ik zat hier zeker niet in de verdrukking.”/.

 

Carmela Tufano (1977, Napels Italië) studeerde Chemical Engineering aan de Federico II, University of Napels. Ze behaalde haar masters met een thesis over polymeren mengsels. In 2004 begon ze bij de vakgroep Materials Technology onder begeleiding van Gerrit Peters, Patrick Anderson en Prof. Han Meijer. Een deel van haar experimenten voerde ze uit in Leuven in samenwerking met prof. Peter van Puyvelde. Woensdag 4 juni verdedigde ze haar proefschrift ‘Effects of mutual diffusion on morphology development in polymer blends’ in Collegezaal 4 van het Auditorium
Polymeren/Ingrid Magilsen
Foto/Bart van Overbeeke