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Authors: Kappes, Ralf S.
Title: Laser heating of polymers
Online publication date: 26-Jul-2012
Language: english
Abstract: Zur Untersuchung von Effekten beim Laserheizen von Polymeren wurde ein Temperaturmessaufbau entwickelt. Das Messprinzip basiert auf der Auswertung der thermischen Emission. Der Messaufbau besteht aus einer hochauflösenden Kamera, ausgestattet mit Bildverstärker, sowie Interferenzfiltern um eine spektrale Auflösung zu gewährleisten und einem gepulster NIR-Heizlaser. Die Pulsdauer des Lasers liegt in der Größenordnung von 10 µs, der Strahldurchmesser durch entsprechende Fokussierung in der Größenordnung von 10 µm. Mittels Fit des Planck‘schen Strahlungsgesetzes an die aufgenommene thermische Emission konnten 2D Temperaturgraphen erhalten werden. Eine Ortsauflösung von 1 µm und eine Zeitauflösung von 1 µs konnten realisiert werden. In Kombination mit Finite-Elemente-Simulationen wurde mit diesem Aufbau die Laserablation verschiedener Polymere untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bei Polymeren mit einem Glasübergang im Temperaturbereich zwischen Raum- und Zerfallstemperatur, photomechanische Ablation stattfand. Die Ablationsschwelle lag für diese Polymere mehrere 10 K über dem Glasübergang, weit unter der Zerfallstemperatur aus thermogravimetrischen Experimenten mit typischen Heizraten von 10 K/min. Bei hohen Laserenergien und damit verbundenen hohen Temperaturen konnte dagegen thermischer Zerfall beobachtet werden. Ein Übergang des Mechanismus von photomechanischer Ablation zu Ablation durch thermischen Zerfall ergab sich bei Temperaturen deutlich über der Zerfallstemperatur des Polymers aus der Thermogravimetrie. Dies wurde bedingt durch die kurzen Reaktionszeiten des Laserexperiments in der Größenordnung der Pulsdauer und steht im Einklang mit dem Gesetz von Arrhenius. Polymere ohne Glasübergang im Heizbereich zeigten dagegen keine photomechanische Ablation, sondern ausschließlich thermischen Zerfall. Die Ablationsschwelle lag auch hier bei höheren Temperaturen, entsprechend dem Gesetz von Arrhenius. Hohe Temperaturen, mehrere 100 K über der Zerfallstemperatur, ergaben sich darüber hinaus bei hohen Laserenergien. Ein drastisches Überhitzen des Polymers, wie in der Literatur beschrieben, konnte nicht beobachtet werden. Experimentelle Befunde deuten vielmehr darauf hin, dass es sich bei dem heißen Material um thermische Zerfallsprodukte, Polymerfragmente, Monomer und Zerfallsprodukte des Monomers handelte bzw. das Temperaturprofil der Zerfallsreaktion selbst visualisiert wurde.
In order to investigate laser heating effects on polymers, a setup for temperature measurements was developed. Based on a high performance camera equipped with interference filters for spectral sensitivity, it is possible to acquire the spectral thermal emission from a laser heating process. By fitting Planck\'s law to the emission spectrum, 2D temperature graphs could be obtained with 1 µs time and 1 µm spatial resolution. In combination with finite element simulations, laser induced thermal ablation of various polymers could be analyzed. Photomechanical ablation was found at threshold for polymers with a glass transition between room and degradation temperature. Low ablation threshold temperatures, only several 10 K above the glass transition temperature were evident, i.e. at temperatures well below the degradation temperature of the polymers. At higher laser energies well above threshold, a thermal decomposition reaction took over as dominating ablation mechanism. The transition was found at higher temperature in respect to standard thermogravimetric experiments due to the fast heating rates in agreement with the law of Arrhenius. For polymers maintaining their glassy state until degradation, photothermal decomposition takes place at threshold. For these polymers, the threshold was equally shifted according to the law of Arrhenius. At high laser power, high temperatures were measured, several 100 K above the threshold temperature. Experimental evidence suggests however, that a combination of different matter, decomposing polymer, oligomer, monomer, degradation products of the monomer and heated air is at high temperature. No evidence could be found for superheated polymer withstanding high temperatures on the 1 µs time scale, exceeding the prediction of Arrhenius as proposed by literature.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2082
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 166 S.
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