Simulation der Orientierungsverteilungen in spinnkristallisierten Polymerfasern und Korrelation mit experimentellen Daten

Abstract

Anhand von Computersimulationen wurde die Orientierung der Moleküle in Polyesterfasern beschrieben und das Messverfahren der intrinsischen, polarisierten Fluoreszenz zur Bestimmung der Orientierung in den nicht kristallinen Bereichen von PET-Fasern getestet. Die genannte Messmethode beruht darauf, dass Teile der PET- Moleküle selbst zur Fluoreszenz angeregt werden können und dass dieser Effekt nur in den nicht kristallinen Bereichen der Fasern auftaucht. Aufgrund der Anisotropie dieser fluoreszierenden Elemente hängt die Polarisation des Fluoreszenzlichts von deren Orientierung ab. Durch die Bestrahlung einer Faserprobe mit unterschiedlich polarisierten Licht und die Messung der polarisierten Komponenten des dabei erregten Fluoreszenzlichts kann ein Maß für die mittlere Orientierung bestimmt werden. Zur Durchführung der dazu notwendigen Berechnungen müssen Modelle für das Absorptions- und Emissionsverhalten der fluoreszierenden Elemente der Polymerketten herangezogen werden, die die realen Gegebenheiten nur näherungsweise beschreiben und damit möglicherweise Fehler verursachen. Um dieses Verfahren ausgiebig prüfen zu können, wurde ein Simulationsprogramm entwickelt. Mit dessen Hilfe wurden die Grenzen ermittelt, innerhalb derer das Messverfahen der intrinsischen, polarisierten Fluoreszenz mit dem mathematischen Modell von Nomura brauchbare Ergebnisse liefert. Zunächst wurden zu unterschiedlichen Orientierungsfaktoren Molekülmodelle berechnet und graphisch dargestellt. An diesen Modellen wurde das dem Verfahren der intrinsischen, polarisierten Fluoreszenz zugrunde liegende Fluoreszenzexperiment simuliert, wobei den Einzelmolekülen unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften zugeordnet wurden. Der Vergleich der Ergebnisse aus den simulierten Fluoreszenzexperimenten mit den vorgegebenen Eingangsdaten, die die berechneten Molekülmodelle charakterisieren, liefert die notwendigen Kriterien, denen der Effekt der intrinsischen, polarisierten Fluoreszenz genügen muss, damit mit dem mathematischen Modell von Nomura sinnvolle Ergebnisse erzielt werden können. Durch die Simulation der teilweisen Kristallisation wurden Molekülmodelle berechnet, die in Bezug auf Gesamtorientierung, Kristallanteil und Kristallitorientierung mit realen, im Schmelzspinnprozess gewonnenen Fasern übereinstimmen. Die aus der Simulation des Fluoreszenzexperiments an diesen Modellen erhaltenen Ergebnisse wurden mit real gemessenen Daten verglichen.

The method of intrinsic polarized fluorescence to calculate the orientation factor in the amorphous regions of polymer fibers will be investigated with the help of computer simulations to test the limits of this procedure. For that a computer program was developed to simulate the fluorescence experiment. At first a model, which describes the order of the molecules in an oriented, not crystalline fiber, was formed and implemented in MatLab. On the basis of a given orientation factor or given moments P2 and P4 a fitting “most probable” orientation distribution function was determined. Subsequently a group of unit vectors was calculated, which were aligned according to this orientation distribution function. At higher spinning speed (for PET between 3500 and 4000 m/min) the molecular deformation and orientation induces crystallisation in the preoriented amorphous phase. So the fiber model consisting of a group of orientation vectors had to be extended in such a way that the formation of crystallites could be calculated. The developed simulation program works on the basis of these calculated models. It simulates the fluorescence experiments and the measurement of the fluorescence radiation and calculates the orientation factor with the method of polarized intrinsic fluorescence. The results can be compared with the input values. All calculations and diagrams are realized by Matlab-functions. The graphical user interface is a Visual C++ program, which enables the user to input, change and save data in the in windows usual way. To carry out simulations matching with measured data of real experiments, it was necessary to calculate models with the same parameters for total orientation, crystallity and crystalline orientation like real fiber samples with known spinning speed and draw ratio. With these models the fluorescence experiment was simulated and the orientation factor was calculated from the results of the simulation and compared with the equivalent value measured in experiments with real fibers.