Modeling of thin polymer films

Abstract

Aquest treball es centra en l’estudi de dos sistemes diferents de films polimèrics. En primer lloc, s’analitza experimentalment la resposta viscoelàstica dels films polimèrics multicapa (sandvitxos) de polietilè lineal de baixa densitat (LLDPE) i etilen-vinil-alcohol (EVOH). A partir de les dades experimentals es troba que la resposta mecànica dels sandvitxos estudiats es pot predir mitjançant una regla additiva utilitzant les dades dels components purs, quan aquests han estat processats en les mateixes condicions. Per tant, la resposta no depèn del gruix de les capes individuals, ni dels efectes interfacials, sinó només de la fracció volumètrica d’EVOH i LLDPE en el sistema.

Es proposa addicionalment un model més mesoscòpic per la resposta viscoelàstica dels films de LLDPE i EVOH purs i els sandvitxos. Aquest es basa en el model de Maxwell Generalitzat que correspon a l’analogia mecànica de la resposta complexa del material. Mitjançant l’ajust del model a les dades experimentals podem obtenir informació sobre l’espectre dels temps de relaxació, els quals ens donen coneixement sobre l’estructura microscòpica del sistema.

Finalment, el segon sistema que s’investiga és completament diferent a l’anterior. Aquest sistema consisteix en films de “diblock-copolymers” que formen esferes i que estan sotmesos a influències externes. Per l’estudi s’utilitza una implementació numèrica de la dinàmica del sistema en una xarxa que es coneix com “Cell Dynamics Simulation”. A través de les simulacions demostrem que podem obtenir formacions de dominis esfèrics altament ordenats en films prims sobre una superfície químicament decorada amb bandes paral•leles. No obstant, l’ordre de llarg abast, requerit en aplicacions nanoscòpiques, depèn de la commensurabilitat de l’estructura amb la periodicitat de les bandes i el gruix del film, i la seva adequada selecció permet tenir una disposició d’esferes hexagonal o bé quadrada, que correspondria a un empaquetament cúbic centrat (BCC).

Este trabajo se centra en el estudio de dos sistemas diferentes de films poliméricos. En primer lugar, se analiza experimentalmente la respuesta viscoelástica de los films poliméricos multicapa (sándwiches) de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y etilen-vinil-alcohol (EVOH). Partiendo de los datos experimentales se encuentra que la respuesta mecánica de los sándwiches se puede predecir mediante una regla aditiva utilizando los datos de los componentes puros, cuando éstos han sido procesados en las mismas condiciones. Por consiguiente, la respuesta no depende del grosor de las capas individuales, ni de los efectos interfaciales, sino que depende de la fracción volumétrica de EVOH y LLDPE en el sistema.

Se propone adicionalmente un modelo más mesoscópico para la respuesta viscoelástica de los films de LLDPE y EVOH puros y los sándwiches. Éste se basa en el modelo de Maxwell Generalizado que corresponde a la analogía mecánica de la respuesta compleja del material. Mediante el ajuste del modelo a los datos experimentales podemos obtener información sobre el espectro de los tiempos de relajación, que nos dan conocimiento sobre la estructura microscópica del sistema.

Finalmente, el segundo sistema que se investiga es completamente diferente al anterior. Este sistema consiste en filmes de “diblock-copolymers” que forman esferas y se someten a influencias externas. Para el estudio se utiliza una implementación numérica de la dinámica del sistema en una red conocida como “Cell Dynamics Simulation”. Por medio de las simulaciones demostramos que se pueden obtener formaciones de dominios esféricos altamente ordenados en films delgados sobre una superficie químicamente decorada con bandas paralelas. El orden de largo alcance depende de la conmensurabilidad de la estructura con la periodicidad de las bandas y del grosor del film, y su adecuada selección permite tener una disposición de esferas hexagonal o bien cuadrada, correspondiente a un empaquetamiento cúbico centrado (BCC).

This work is focused on the study of two different systems of thin polymeric films. In the first place, the viscoelastic response of multilayer polymeric films (sandwiches) of linear low-density polyethylene (LLDPE) and ethylene vinyl alcohol (EVOH) copolymer has been experimentally analyzed. From experimental data we find that the mechanical response of the studied sandwiches can be predicted through a mixing rule using the data of the pure constituents when they have been processed under the same conditions. Then, the response does not depend on the individual layer thickness, neither on the interfacial effects, but only on the volume fraction of the EVOH and LLDPE in the system.

We additionally propose a more mesoscopic model for the viscoelastic response of the solid LLDPE and EVOH films and sandwiches. The model is formally a Generalized Maxwell (GM) model, which corresponds to a mechanical analog of the complex response of the material. Through the fitting of the model to the experimental data one can get information on the spectra of relaxation times, which bear information on the microscopic structure of the system.

Finally, the second system investigated is completely different to the previous one. This system studied consists of films of sphere-forming diblock copolymers under external influences. For the study we use a numerical implementation of the dynamics of the system on a lattice that is referred to as Cell Dynamics Simulation. Using 3-Dimensional CDS we demonstrate that on patterned surfaces with chemically attractive parallel stripes, arrays of spherical domains with long-range order, required for nanoscopic applications, can be obtained. The long-range order depends on the commensurability of the structure with both the band periodicity and slit thickness, and their proper selection permits the system to switch from a hexagonal packing to a square packing corresponding to a body-centered orthohedron.