Modeling of Polymer Swelling and Drying Using PC-SAFT for Highly Cross-Linked Networks

Hochvernetzte Polymere spielen eine zentrale Rolle bei der Verkapselung empfindlicher Elektronik, da sie als Barriere gegenüber Flüssigkeiten und Dampf wirken. Gleich-zeitig können diese Materialien selbst Lösungsmittel aufnehmen, wodurch eine Beeinträchtigung der Funktion elektronischer Bauteile verursacht wird. Vor diesem Hintergrund befasst sich die vorliegende Arbeit mit der experimentellen und theoreti-schen Untersuchung von Quellung, Diffusion und Trocknung in hochvernetzten Polymernetzwerken für die Anwendung in Elektroniken in Kontakt mit verschiedenen Lösungsmitteln.
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Zur Beschreibung der thermodynamischen Gleichgewichte wird die Kombination aus der Zustandsgleichung PC-SAFT mit einem Netzwerkterm zur Berücksichtigung elastischer Beiträge des Polymernetzwerks genutzt. Der Stofftransport wird auf dieser Grundlage mithilfe eines Maxwell-Stefan-Ansatzes modelliert. Für alle untersuchten Systeme zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und Modellrechnungen, wodurch die Eignung des entwickelten Modellrahmens zur Beschreibung der Lösungsmittelaufnahme in hochvernetzten Polymeren bestätigt wird. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Lösungsmittelaufnahme stark von der Wechselwirkung zwischen Polymer und Lösungsmittel abhängt. Insbesondere führt eine ähnliche Polarität von Polymer und Lösungsmittel zu einer erhöhten Aufnahme.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Analyse geometrischer Einflüsse auf den Stofftransport. Es konnte gezeigt werden, dass die bestimmten Diffusionskoeffizienten stark von der zugrunde gelegten Geometrie abhängen und eindimensionale oder zweidimensionale Vereinfachungen zu deutlichen Abweichungen gegenüber einer realistischeren dreidimensionalen Beschreibung führen können. Die Berücksichtigung der Probengeometrie ist daher wesentlich für eine zuverlässige Modellierung und Bewertung des Diffusionsverhaltens.
Zusätzlich wurde Wärme- und Stofftransport gekoppelt, um Diffusion in elektronischen Verkapselungen während des Betriebes zu beschreiben. Dabei konnte gezeigt werden, dass Wärmequellen innerhalb elektronischer Bauteile das Quellungsverhalten beeinflussen. Gleichzeitig wurde deutlich, dass Trocknung und Quellung nicht mit identi-schen Diffusionskoeffizienten beschrieben werden können. Dies weist darauf hin, dass die der Trocknung zugrunde liegenden Transportmechanismen nicht vollständig im Modell berücksichtigt wurden.
Die Arbeit liefert damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Lösungsmittelaufnahme, Diffusion und Trocknung in hochvernetzten Polymernetzwerken unter praxisrelevanten Bedingungen.

Highly crosslinked polymers play a central role in the encapsulation of sensitive electronics, as they act as barriers against liquids and vapors. At the same time, these materials themselves can absorb solvents, which may impair the functionality of electronic components. Against this background, the present work deals with the experimental and theoretical investigation of swelling, diffusion, and drying in highly cross-linked polymer networks for application in electronics in contact with various solvents.
To describe the thermodynamic equilibria, a combination of the PC-SAFT equation of state with a network term to account for elastic contributions of the polymer network is used. ... mehrBased on this, mass transport is modeled using a Maxwell–Stefan approach. For all investigated systems, good agreement between experimental data and model calculations is observed, confirming the suitability of the developed modeling framework for describing solvent uptake in highly crosslinked polymers. Furthermore, it is shown that solvent uptake strongly depends on the interaction between polymer and solvent. In particular, a similar polarity of polymer and solvent leads to increased uptake.
Another focus of the work is the analysis of geometric influences on mass transport. It was shown that the determined diffusion coefficients strongly depend on the underlying geometry and that one-dimensional or two-dimensional simplifications can lead to significant deviations compared with a more realistic three-dimensional description. Therefore, consideration of the sample geometry is essential for reliable modeling and evaluation of diffusion behavior.
In addition, heat and mass transport were coupled in order to describe diffusion in electronic encapsulations during operation. It was shown that heat sources within electronic components influence the swelling behavior. At the same time, it became clear that drying and swelling cannot be described using identical diffusion coefficients. This indicates that the transport mechanisms underlying drying were not fully accounted for in the model.
Thus, this work makes an important contribution to the understanding of solvent uptake, diffusion, and drying in highly crosslinked polymer networks under practically relevant conditions.