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4.12 SP–PLP–NIR-Technik
Theoretischer Hintergrund. Bei der SP–PLP–NIR-Technik wird die Polymerisation durch einen Laser-Einzelpuls gestartet und der induzierte Monomerumsatz durch NIR-Spektroskopie bei fester Wellenzahl mit einer Auflösung teils unter 1 s detektiert. Die Radikalkonzentration zum Zeitpunkt t nach dem Laserpuls, cR(t), kann über die integrierte Form des Geschwindigkeitsgesetzes der Terminierung (Gleichung (16)) bestimmt werden: kettenlängengemittelten Geschwindigkeitskoeffizienten der Terminierung handelt.
Die Kombination von Gleichung (47) und dem Geschwindigkeitsgesetz der Propagation (Gleichung (5)) führt zu Gleichung (48), die die Abnahme der Monomerkonzentration, cM(t), nach dem Laserpuls beschreibt.
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. cM(t = 0) ist die Monomerkonzentration zu Beginn des Experiments.Die Anpassung der experimentellen Daten mittels Gleichung (48) ermöglicht die Bestimmung des Produkts aus <kt> und cR(t = 0) sowie des gekoppelten Parameters kp/<kt>. Da durch den experimentellen Aufbau des SP–PLP–NIR-Experiments die Radikalkonzentration nach dem Laserpuls nicht leicht zugänglich ist, wird <kt> aus dem gekoppleten Fitparameter kp/<kt> erhalten, da kp meist aus unabhängigen PLP–SEC-Messungen bekannt ist. Mehrere aufeinander folgende SP–PLP–NIR-Experimente ermöglichen die Bestimmung der Umsatzabhängigkeit von <kt>.
Experimenteller Aufbau. Abbildung 8 zeigt eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus des SPPLPNIR-Experiments.
Es besteht aus einem Exciplex-Laser, UV-Spiegeln (S), Blenden (B), Linsen
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(L), Filtern (F), einem ellipsoiden Spiegel (E), einer Lampe, einem Strahlfänger, der Hochdruckzelle, einem Monochromator und einem Indiumarsenid-(InAs)-Detektor.
Die technischen Details der einzelnen Komponenten, deren Anordnung, die Datenaufnahme und die Datenverarbeitung sind in Referenz 39 detailliert beschrieben.
Abbildung 8. Optischer Aufbau des SP–PLP–NIR-Experiments, bestehend aus einem Exciplex Laser, UV-Spiegeln (S), Blenden (B), Linsen (L), Filtern (F), einem ellipsoiden Spiegel (E), einer Lampe, einem Strahlfänger, der Hochdruckzelle, einem Monochromator und einem InAs-Detektor.
Die Hochdruckzelle, dargestellt in Abbildung 9 und Abbildung 10, ist entworfen für Drücke bis 3000 bar und Temperaturen bis 300 °C.39,116,117 Der Aufbau mit zwei Saphir-Fenstern auf jeder Seite ermöglicht es, den Laserstrahl und den NIR-Strahl durch die Hochdruckzelle zu führen (rote Linie in Abbildung 9). Die Temperierung der Zelle erfolgt durch zwei Heizschalen, deren Heizleistung über einen Thermostaten gesteuert wird.
An den seitlichen Bohrungen können Thermofühler zur Überwachung und Regelung der Messtemperatur im Inneren der Hochdruckzelle eingeführt sowie das Verbindungsrohr des Druckstands befestigt werden.
Aufgrund der Dimension der Hochdruckzelle kann diese sowohl im Strahlengang des SP–PLP–NIR-Aufbaus als auch im Strahlengang eines NIR-Spektrometers (Bruker IFS 88) platziert werden.117
4.12 SP–PLP–NIR-Technik
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Abbildung 9. Gesamtansicht der Hochdruckzelle.118 Die rote Linie zeigt den Weg des Laser- und des NIR-Strahls an.
Abbildung 10. Querschnitt der Hochdruckzelle.118
4. Methoden
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Die zu untersuchende Polymerisationslösung befindet sich in einer Innenzelle in der Hochdruckzelle. Die Innenzelle besteht aus einem Teflonschlauch, der auf beiden Seiten durch ein Quarzfenster verschlossen wurde. Die Schichtdicke der Probe zwischen den zwei Quarzfenstern betrug im Mittel 1,5 mm, was in etwa einem Probenvolumen von 1,5 mL entspricht.
Der Druckaufbau im Inneren der Hochdruckzelle erfolgt mit einem Druckstand, der schematisch in Abbildung 11 dargestellt ist. Dieser besteht aus einem n-Heptan-Vorratsgefäß, einer Spindelpresse, einem Manometer, der Hochdruckzelle und vier Ventilen (V). Als Medium zur Druckerhöhung wurde das Lösungsmittel n-Heptan verwendet, das einen effizienten Wärmetransport ermöglicht. Die Druckerhöhung erfolgte manuell über eine Spindelpresse.
Die technischen Daten der Hochdruckzelle und des Druckstands können Referenz 39 entnommen werden.
Abbildung 11. Schematische Darstellung des Druckstands zur Erzeugung von Drücken bis zu 3000 bar.
4.12 SP–PLP–NIR-Technik
43 Versuchsdurchführung. Zu Beginn des Experiments wurde die Hochdruckzelle mit einer leeren Innenzelle bestückt, der Druck auf 50 bar erhöht und die gewünschte Messtemperatur am Thermostaten eingestellt.
Nach Erreichen der Zieltemperatur wurde die Hochdruckzelle in den Strahlengang des SP–PLP–NIR-Experiments platziert und die Hochspannung des Exciplex-Lasers gegen einen Energie-Detektor (Coherent, LabMaxTM-TOP mit Detektor Coherent, EnergyMaxTM J-50MT-10KHZ, 0,3 – 2,1 m, 500 J – 1 J, Pulsrate ≤ 10 kHz, Pulsbreite ≤ 1,7 s und Wärmeableiter Coherent, large heat sink) mit dem Programm
„calibration.cpp“ (Microsoft® Visual C++, Version 6.0) kalibriert.39 Der Energie-Detektor wurde zwischen Hochdruckzelle und Spiegel S3 platziert.
Die Hochspannung im Experiment wurde so gewählt, dass eine Laserenergie zwischen 3,5 bis 5,5 mJ·cm–2 erhalten wurde. Anschließend wurde die Hochdruckzelle in das FT–NIR-Spektrometer überführt und ein Hintergrundspektrum aufgenommen.
Monomer und Lösungsmittel wurden gemischt und in einen Kolben gegeben, der den Initiator enthielt. Die Initiatorkonzentration betrug 1 bis 5 mmol·L–1. Die Polymerisationslösung wurde 5 bis 10 min mit Argon durchströmt, um Sauerstoff zu entfernen. Der Teflonschlauch der Innenzelle wurde auf einer Seite mit einem Quarzfenster bestückt, die Probe hineingegeben und anschließend die Innenzelle durch das zweite Quarzfenster verschlossen. Die Länge des Teflonschlauchs wurde dabei so gewählt, dass die Schichtdicke der Probe im Inneren der Zelle in etwa 1,5 mm betrug. Die Innenzelle wurde in die Hochdruckzelle eingeführt, die danach auf Messdruck gebracht wurde. Nach Erreichen der Messtemperatur, wurde ein FT–NIR-Spektrum aufgenommen und die Hochdruckzelle anschließend im Strahlengang des SP–PLP–NIR-Aufbaus platziert.
Der Monochromator wurde mit einem VEE-Programm (entwickelt von Dr.
H.-P. Vögele, Agilent Technologies, Version 9.2) gesteuert und auf die Wellenzahl des Maximums der NIR-Bande des ersten Obertons der antisymmetrischen C–H-Streckschwingung der Methyliden-Gruppe an der Doppelbindung des Monomers bei etwa 6100 – 6250 cm–1 eingestellt. Die Aufnahme der Monomerkonzentration-Zeit-Verläufe erfolgte mit dem Programm SBench (Spectrum Systementwicklung Microelectronic, Version 5.3).39 Die Anzahl der Datenpunkte der Messung wurde auf 214 für das Zeitintervall vor dem Laserpuls und 3·214 für das Zeitintervall nach dem Laserpuls eingestellt. Die Abtastrate wurde zwischen 1 MHz und 50 kHz
4. Methoden
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variiert, was zu einer Zeitauflösung von 1 bis 50 s führte. Die Messdauer ergab sich aus der Anzahl der Datenpunkte und der Abtastrate. Da der Detektor das Messsignal als Spannung überträgt, wurde ±500 mV als Eingangsbereich bei SBench gewählt. Die Umrechnung der Messgröße Spannung in die relative Abnahme der Monomerkonzentration wurde mit dem Programm MATLAB® (MathWorks, R2012b, Version 8.0.0.783) durchgeführt. Die dazu verwendeten MATLAB®-Skripte I002.m und analyze.m sind in Referenz 39 detailliert beschrieben. Alle elektronischen Komponenten des SP–PLP–NIR-Aufbaus sowie die exakte zeitliche Abpassung von Laserpuls und Datenaufnahme wurde mit dem Programm
„measurement.cpp“ (Microsoft® Visual C++, Version 6.0) gesteuert.39 Um das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu verbessern, wurden mehrere nacheinander durchgeführte Einzelpulsexperimente gemittelt, wobei darauf geachtet wurde, dass der überstrichene mittlere Umsatzbereich etwa 4%
betrug. Dies wurde durch die Aufnahme von NIR-Spektren zwischen den einzelnen Pulssequenzen überwacht. Die Auswertung der NIR-Spektren ist in Kapitel 4.9 beschrieben.