Μελέτη των μορφολογικών χαρακτηριστικών του διαχωρισμού φάσεων λεπτών υμενίων διαλυμάτων πολυμερών με τη μέθοδο της γραμμικής ευσταθείας

 
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share




2016 (EN)
Μελέτη των μορφολογικών χαρακτηριστικών του διαχωρισμού φάσεων λεπτών υμενίων διαλυμάτων πολυμερών με τη μέθοδο της γραμμικής ευσταθείας

Μέγαρη, Αθηνά

Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την επίδραση των φαινομένων διάχυσης στη μορφολογία πολυμερικών υμενίων, τα οποία αποτελούνται από δύο πολυμερή και ένα διαλύτη. Τα λεπτά αυτά υμένια των διαλυμάτων των πολυμερών βρίσκουν πρακτική εφαρμογή σε πληθώρα συσκευών, όπως τα οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Συνηθέστερα, κατασκευάζονται με τη μέθοδο της επικάλυψης με περιστροφή, κατά την οποία ο διαχωρισμός φάσεων μπορεί να κατευθύνεται από την τάση των πολυμερών να βρεθούν κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια ή το υπόστρωμα του υμενίου. Στη συγκεκριμένη εργασία εξετάζεται η πιθανότητα αναγνώρισης των τάσεων που επικρατούν στο σχηματισμό της μορφολογίας των υμενίων κατά το διαχωρισμό των φάσεων του διαλύματος με τη μέθοδο της γραμμικής ευστάθειας. Στο συγκεκριμένο μαθηματικό μοντέλο, η ελεύθερη ενέργεια του συστήματος εκφράστηκε με βάση τις θεωρίες Flory-Huggins και Cahn-Hilliard, ενώ επιλύθηκε αριθμητικά, καθώς λόγω της πολυπλοκότητας του δεν ήταν δυνατή η αναλυτική επίλυση του. Η αριθμητική επίλυσηεπιβεβαιώθηκε με τη βοήθεια ενός απλουστευμένου αναλυτικά λυμένου μαθηματικού συστήματος. Για αυτή τη μελέτη λήφθηκε υπόψιν μόνο η επίδραση της διάχυσης κατά το διαχωρισμό των φάσεων των πολυμερών, ενώ εξετάστηκαν δύο ειδών συστήματα, τα συμμετρικά και τα μη-συμμετρικά. Ως συμμετρικά ορίζονται τα συστήματα στα οποία τα συστατικά δεν εμφανίζουν προτίμηση στην ελεύθερη επιφάνεια, ενώ ως μη-συμμετρικά αναφέρονται τα συστήματα στα οποία το ένα από τα δύο συστατικά εμφανίζει προτίμηση προς την επιφάνεια. Εξαιτίας της επίδρασης του χρόνου στο φαινόμενο του διαχωρισμού, εξετάστηκαν δύο διαφορετικά χρονικά στιγμιότυπα, ένα όταν το αρχικό πάχος του υμενίου είχε μειωθεί στο 90% της αρχικής του τιμής και ένα όταν είχε μειωθεί στο 70%. Τα αποτελέσματα της επίλυσης του μαθηματικού μοντέλου έδειξαν ότι παρατηρείται διαφορετική συμπεριφορά στα συμμετρικά και στα μη-συμμετρικά συστήματα. Συγκεκριμένα, στα συμμετρικά συστήματα παρατηρήθηκε η τάση να ευνοούν το σχηματισμό πλευρικής μορφολογίας, δηλαδή κατακόρυφης διαστρωμάτωσης, ενώ αντίθετα για τα μη-συμμετρικά παρατηρήθηκε ο σχηματισμός φυλλώδους μορφολογίας(οριζόντια διαστρωμάτωση).
This diploma thesis studies the effect of diffusion phenomena to the morphology of phase-separated thin polymer films. Such thin films are formed by two polymers dissolved in a solvent and present numerous practical applications such as the organic photovoltaic cells. They are most commonly manufactured through spin-coating, during which phase separation is often directed by the tendency of the polymers to accumulate close to the free surface or the substrate of the film. In the present study we explore the possibility of identifying the trends in the evolution of the phase separation morphology by using the tools of linear stability analysis. The description of the system’s free energy was based upon Flory-Huggins and Cahn-Hilliard theories. Due to the complexity of the mathematical model, it was impractical to find the analytical solution and therefore the problem was solved numerically . The reliability of the numerical solution was validated by the analytical solution of a simplified model. In this study only the consideration of the diffusion parameters was examined and we differentiated between two cases, when the two polymers have similar properties and preferences (symmetric system) and when one of the dissolved components exhibits selective preference for the liquid/gas interface (non-symmetric system). Moreover, since the base-state of the model was not stationary but evolving in time, we examined the stability of the system at two distinct time instants, when the film thickness had been reduced due to evaporation to 90% of its initial value and when it had been reduced to 70%. The results of the study showed that a different behavior was occurred in symmetric and non-symmetric systems. Specifically, in symmetric systems the process of phase separation leads to islands or bi-continuous configurations and they constitute what are called lateral structures (vertical layers). In non-symmetric systems due to the phase separation a layered structure is formed and the final morphology attains what is termed a lamellar configuration(horizontal layers).

info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Graduate Thesis / Πτυχιακή Εργασία

phase separation
Υμένια διαλυμάτων πολυμερών
Μελέτη ευσταθείας
stability analysis
Films of polymer solutions
Διαχωρισμός φάσεων

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (EL)
Aristotle University of Thessaloniki (EN)

Greek

2016-11-04T10:57:17Z
2016


Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Χημικών Μηχανικών

This record is part of 'IKEE', the Institutional Repository of Aristotle University of Thessaloniki's Library and Information Centre found at http://ikee.lib.auth.gr. Unless otherwise stated above, the record metadata were created by and belong to Aristotle University of Thessaloniki Library, Greece and are made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Unless otherwise stated in the record, the content and copyright of files and fulltext documents belong to their respective authors. Out-of-copyright content that was digitized, converted, processed, modified, etc by AUTh Library, is made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). You are kindly requested to make a reference to AUTh Library and the URL of the record containing the resource whenever you make use of this material.
info:eu-repo/semantics/openAccess



*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)