Students will be versed in thermodynamical and rheological models of polymer systems and will be able to use them for prediction and interpretation of phase and flow behavior. They will be able to choose a proper physico-chemical method for study and molecular characterization of polymer compounds and to evaluate its results.

Posluchači porozumí termodynamickým a reologickým modelům polymerních systémů a budou umět je použít při predikci a interpretaci fázového a tokového chování. Dokáží zvolit vhodnou fyzikálně chemickou metodu studia a molekulární charakterizace polymerních látek a vyhodnotit její výsledky

oral examination

ústní zkouška

R: Pouchlý J.: Fyzikální chemie makromolekulárních a koloidních soustav, skripta VŠCHT Praha, 2008.

R: Rubinstein M., Colby R.H.: Polymer Physics. Oxford Univ. Press, 2004.

A: Kamide K., Dobashi T.: Physical Chemistry of Polymer Solutions. Theoretical Background. Elsevier Science 2000.

A: Teraoka, I.: Polymer solutions : an introduction to physical properties. Wiley-Interscience, 2002.

Z: Pouchlý J.: Fyzikální chemie makromolekulárních a koloidních soustav, skripta VŠCHT Praha, 2008.

Z: Rubinstein M., Colby R.H.: Polymer Physics. Oxford Univ. Press, 2004.

D: Kamide K., Dobashi T.: Physical Chemistry of Polymer Solutions. Theoretical Background. Elsevier Science 2000.

D: Teraoka, I.: Polymer solutions : an introduction to physical properties. Wiley-Interscience, 2002.

Lectures (75 %) topical seminars (25 %).

Přednášky (75 %) a semináře z aktuálních témat (25 %).

1 Polymer chain conformations and the description of polymer-coil dimensions - radius of gyration. Models of a polymer chain. An ideal chain – the random-walk model. The entropic elasticity of a polymer chain. Gibbs free energy of a polymer chain.

2. The effect of the segment excluded volume on the dimensions of a real chain. Mayer function. Expansion and collapse of a polymer coil in athermal and bad solvent. The deformation of a polymer coil - a tension blob.

3. Thermodynamics of polymer solutions. Flory-Huggins theory of the mixing Gibbs free energy. Derivatization of combinatorial entropy for mixing of small and large molecules on a lattice. Introduction of χ-parameter describing polymer-solvent interaction; mixing enthalpy.

4. Phase equilibria of polymer solutions; spinodale and binodale; lower and upper solution critical temperature. Effect of molar mass – theta temperature. Osmotic pressure of dilute solution: second virial coefficient, number-average molar mass.

5. Definitions of polymer-solution concentration regimes. Limiting concentration of semi-dilute solution. Scaling theory – thermal and correlation blobs. Dimensions of a polymer coil in concentrated solution and melt.

6. Elastic light scattering in polymer solutions. . Rayleig scattering of small particles. Scattering in a condense phase – concentration fluctuations. Scattering of medium sized particles; scattering vector, angle dependence of scattered intensity. Zimm diagram; mass average molar mass.

7. Elastic scattering of other types of radiation – neutrons, X-rays. Effect of wave-length on the scattering-vector value and dimensions of observable objects. Guinier approximation.

8. Dynamic light scattering, photon correlation spectroscopy. The relation for a monodisperse sample; the radius of the hydrodynamically equivalent sphere. Evaluation of the correlation function of disperse samples. Z-average diffusion coefficient. Zeta-potential measurements.

9. Polymer dynamics and macromolecular hydrodynamics. Gaussian chain – Rouse and Zimm models of polymer solution flow. Flory-Fox theory of hydrodynamical properties in good solvents. Mark-Houwink equation for the limiting viscosity number. Non-Newtonian behavior of polymer fluids. The validity region of the Rouse model. The reptation model of entangled polymer solutions and melts.

10. Molar-mass distribution of disperse polymers and experimental methods of their determination. Significance of the molar mass distribution in disperse polymers behavior. Size exclusion chromatography and its separation principle. Results evaluation – the transformation of a chromatogram to molar mass distribution. The calibration using polymer standards; principle of the universal calibration. Multidetector arrangement for direct molar mass determination.

11. Field flow fractionation – used forces, the role of diffusion, asymmetric flow field flow fractionation. MALDI-TOF mass spectrometry – movement of a charged particle in an electric field; the role of a matrix and an ionizationt agent in the desorption and ionization. Advantages and limitations of discussed method.

12. Weak and strong polyelectrolytes; the extended Hendersson-Haselbalch equation. Expansion of a polyelectrolyte moleculeů effect of the ionic strength. Charge distribution – Poisson-Boltzmann equation. Counter-ions condensation – Manning theory. Donnan equilibrium.

13. Branched polymers – types of branching, hyperbranched polymers, dendrimers. Kramer theorem – the radii of gyration of selected architectures. Contraction factors of hydrodynamic properties. Gels: functionality of a branching point; the gelation point; critical conversion - the Flory-Stockmayer equation. Gel deformation and swelling – the Flory-Rehner equation. Physical (thermoreversible) gels. Solubility of crystalline polymer.

14. Repetition

1 Konformace polymerního řetězce a popis rozměrů polymerní klubka – gyrační poloměr. Modely polymerního řetězce. Ideální řetězec - model náhodné procházky. Entropická elasticita polymerního řetězce. Gibbsova volná energie ideálního řetězce.

2. Vliv vyloučeného objemu segmentu na rozměry reálného řetězce. Mayerova funkce. Expanze a kolaps polymerního klubka v atermálním a špatném rozpouštědle. Deformace polymerního klubka - napěťový blob.

3. Termodynamika polymerních roztoků. Floryho-Hugginsova teorie Gibbsovy volné energie míšení. Odvození kombinatorické entropie míšení velkých a malých molekul na mřížce. Zavedení χ parametru pro popis interakcí polymer rozpouštědlo a entalpie míšení.

4. Fázové rovnováhy roztoků polymerů, spinodála a binodála, horní a dolní kritická rozpouštěcí teplota. Vliv molární hmotnosti - theta teplota. Osmotický tlak zředěného roztoku, druhý viriální koeficient. Početně průměrovaná molární hmotnost.

5. Definice koncentračních režimů polymerních roztoků. Hraniční koncentrace středně koncentrovaného roztoku. Škálovací teorie -teplotní a korelační blob. Osmotický tlak středně koncentrovaného roztoku. Rozměry polymerního klubka v koncentrovaném roztoku a tavenině.

6. Elastický rozptyl světla v polymerních roztocích. Rayleigho rozptyl na malých částicích. Rozptyl v kondenzované fázi, fluktuace koncentrace. Rozptyl na středně velkých částicích, rozptylový vektor, úhlová závislost intenzity. Zimmův diagram. Hmotnostní průměrovaná molární hmotnost.

7. Elastický rozptyl ostatních druhů záření - neutronů a Roentgenova záření. Vliv vlnové délky na hodnotu rozptylového vektoru a rozměry pozorovatelné objekty. Guinierova aproximace.

8. Dynamický rozptyl světla, fotonová korelační spektroskopie. Vztahy pro monodisperzní vzorek. Poloměr hydrodynamicky ekvivalentní koule. Zpracování korelační funkce pro disperzní vzorky. Z-průměr difuzního koeficientu. Měření zeta-potenciálu.

9. Dynamika polymerů a makromolekulární hydrodynamika. Gaussovský řetězec. Rouseův a Zimmův model toku polymerních roztoků. Floryho-Foxova teorie hydrodynamických vlastností v dobrém rozpouštědle. Markova-Houwinkova rovnice pro limitní viskozitní číslo. Nenewtonské chování polymerních tekutin. Oblast použitelnosti Rouseova modelu. Reptační model zapletených roztoků a tavenin.

10. Typy distribucí molárních hmotností disperzních polymerů a experimentální metody jejich stanovení. Význam distribuce molárních hmotností pro chování polymerních systémů. Rozměrově vylučovací chromatografie – dělicí princip. Zpracování výsledků - transformace chromatogramu na distribuci molárních hmotností. Kalibrace polymerními standardy, podstata univerzální kalibrace. Multidetektorové uspořádání pro přímé stanovení molární hmotnosti.

11. Frakcionace tokem v silovém poli – využívané síly, úloha difuze, uspořádání 4FA. MALDI-TOF hmotnostní spektrometrie – pohyb nabité částice v elektrickém poli, úloha matrice a ionizačního činidla při desorpci a ionizaci. Přednosti a omezení, aplikační oblasti uvedených metod.

12. Slabé a silné polyelektrolyty, rozšířená Henderssonova-Haselbalchova rovnice. Expanze molekuly polyelektrolytu, vliv iontové síly. Rozdělení náboje, Poissonova-Boltzmannova rovnice. Kondenzace protiiontů - Manningova teorie. Donnanova rovnováha.

13. Větvené polymery. Typy větvení, hypervětvené polymery a dendrimery. Kramerův teorém, gyrační poloměry vybraných architektur. Kontrakční faktory hydrodynamických vlastností. Gely - funkčnost uzlu, bod gelace, kritická konverze – Floryho-Stockmayerův vztah. Deformace a botnání gelu - Floryho-Rehnerova rovnice. Fyzikální (termoreverzibilní) gely. Rozpustnost krystalického polymeru.

14. Opakování

http://147.33.74.135/knihy/uid_isbn-978-80-7080-674-6/pages-img/

http://147.33.74.135/knihy/uid_isbn-978-80-7080-674-6/pages-img/

Knowledge of (i) fundamental thermodynamic terms and relations; (ii) types of polymer preparations, their chemical structures and specific properties.

Znalost (i) základních termodynamických pojmů a vztahů; (ii) typů přípravy, chemické struktury a specifických vlastností polymerů.