Lamellae orientation in dynamically sheared diblock copolymer melts

Kurt A. Koppi; Matthew Tirrell; Frank S. Bates; Kristoffer Almdal; Ralph H. Colby

doi:doi:10.1051/jp2:1992245

Numéro		J. Phys. II France Volume 2, Numéro 11, November 1992


Page(s)		1941 - 1959
DOI		https://doi.org/10.1051/jp2:1992245

DOI: 10.1051/jp2:1992245
J. Phys. II France 2 (1992) 1941-1959

Lamellae orientation in dynamically sheared diblock copolymer melts

Kurt A. Koppi¹, Matthew Tirrell¹, Frank S. Bates¹, Kristoffer Almdal² and Ralph H. Colby³

¹ Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of Minnesota, Minneapolis, MN 55455, U.S.A.
² Risø National Laboratory, Roskilde, Denmark
³ Corporate Research Laboratories, Eastman Kodak Company, Rochester, NY 14650-2110, U.S.A.

(Received 13 May 1992, accepted 5 august 1992)

Abstract
Two distinct lamellae orientaitons have been identified by small-angle neutron scattering (SANS) in dynamically sheared poly(ethylene-propylene)-poly(ethylethylene) (PEP-PEE) diblock copolymer melts. Near the order-disorder transition temperature, $T\to T_{\rm ODT}$ , and at low shear frequencies, the lamellae arrange with unit normal perpendicular to the flow direction and parallel to the velocity gradient direction (parallel orientation). Higher frequency processing leads to lamellae with unit normal permendicular to both the flow and velocity gradient directions (perpendicular orientation). The crossover from low to high frequency behavior occurs at $\omega\approx\tau^{-1}$ where $\tau$ is the relaxation time for local domain deformations. At temperatures further from the ODT, $T<<T_{\rm ODT}$ , the parallel orientation is obtained at all shearing frequencies. Based on dynamic and steady shear rheological measurements we propose two mechanisms to account for these results. The perpendicular orientation is proposed to arise from shear-induced disordering, followed by reordering in the perpendicular direction due to the effect of vorticity. Parallel lamellae are believed to be a manifestation of defect mediated stress relaxation. These findings are supported by additional experiments on various other shear-oriented polyolefin diblock copolymers.

Résumé
Nous avons identifié, par diffusion de neutrons aux petits angles, deux orientation différentes des lamelles dans des échantillons de copolymères séquencés poly(éthylène-propylène)- poly(éthylétylène) (PEP-PEE) qui ont été cisaillés dynamiquement. A des températures proches de la transition ordre-désordre et aux fréquences de cisaillement faibles, la normale aux couches est perpendiculaire à la direction d'écoulement et parallèle au gradient de vitesse (orientation parllèle). Aux fréquences plus élevées, la normale est perpendiculaire à la direction d'écoulement et au gradient de vitesse (orientation perpendiculaire). Le changement d'orientation survient pour des fréquences de l'ordre de l'inverse du temps de relaxation des déformations locales des domaines ordonnés. Aux températures très inférieures à la transition ordre-désordre, l'orientation est parallèle à toutes les fréquences de cisaillement. En tenant compte des mesures rhéologiques, on propose deux mécanismes. Dans l'orientation perpendiculaire, le système est d'abord désordonné par le cisaillement puis s'oriente grâce aux effets de vorticité. L'orientation parallèle résulte de la relaxation des contraintes en présence de défauts. Ces hypothèses sont confirmées par des expériences de cisaillement sur une gamme d'échantillons variés de copolymères bi-séquencés de structures différentes.