How bulk chemistry affects surface adaptation

Abstract

Die Benetzungseigenschaften von Oberflächen spielen unter anderem in der Natur und bei industriellen Prozessen eine wichtige Rolle. Durch den Kontakt mit Flüssigkeiten können sich die Eigenschaften von Oberflächen verändern. Dieser Effekt wird als Oberflächenadaptation bezeichnet. Um z.B. schützende Beschichtungen herzustellen oder zu optimieren, ist es wichtig, den Einfluss der Oberflächenadaptation zu verstehen. Bei Polymeroberflächen können das Quellen oder die Umorientierung der Polymerketten zur Oberflächenadaptation führen. In meiner Dissertation habe ich hydrophile-b-hydrophobe Diblock Copolymer Bürsten synthetisiert. Ich habe die folgenden zwei Parameter variiert, um das Adaptationsverhalten der Polymeroberflächen in Gegenwart von Wasser zu erforschen. Zum einen wurden die Schichtdicken des hydrophilen und des hydrophoben Blocks variiert. Zum anderen wurde das Verhältnis der Polymerketten- Dichte zwischen hydrophobem und hydrophilem Block verwendet. Ab einer Schichtdicke des hydrophoben Blocks von ≈ 25 nm, konnte keine Oberflächenadaptation beobachtet werden konnte. Hierbei war die Schichtdicke des hydrophoben Blocks der entscheidende Parameter für das Benetzungsverhalten der Oberfläche. Mit abnehmender Schichtdicke, wurde das Verhältnis der Polymerketten-Dichte zwischen hydrophobem und hydrophilem Block für das Benetzungsverhalten relevant. Mit abnehmendem Verhältnis der Polymerketten-Dichte zwischen hydrophobem und hydrophilem Block konnte Oberflächenadaptation beobachtet werden. Mit zunehmendem Verhältnis der Polymerketten-Dichte zwischen hydrophobem und hydrophilem Block, wurde der hydrophile Block abgeschirmt. Selbst bei einer Schichtdicke von ≈ 6 nm, konnte kein adaptives Verhalten beobachtet werden. Weiterhin wurde untersucht, wie die Vernetzung von Polymerketten das Benetzungsverhalten von Copolymeroberflächen beeinflusst. Dazu wurde ein Coumarin-haltiges Copolymer synthetisiert. Unter langwelliger UV-Bestrahlung konnte die Vernetzung der Polymerketten beobachtet werden. Unter kurzwelliger UV-Bestrahlung wurden die Bindungen zwischen den Polymerketten wieder gespalten. Es konnte gezeigt werden, dass die Reibungskraft eines Wassertropfens auf der Oberfläche durch die Vernetzung der Polymerbürsten beeinflusst wird. Bei der Benetzung einer Oberfläche kann auch die Ausbildung einer elektronischen Doppelschicht zur Oberflächenadaptation führen. Gleitet beispielsweise ein Wassertropfen über eine hydrophobe Oberfläche herunter, so lädt sich der Tropfen elektrisch auf. Die Gegenladung verbleibt an der Oberfläche. Dieses Phänomen wird als "slide electrification" bezeichnet. Die Rolle der Oberflächenadaptaion in slide electrifcation auf fluorierten monomolekularen Schichten ist nicht bekannt. In meiner Dissertation habe ich verschiedene Gläser mit einem Monochlorosilan und einem Trichlorosilan fluoriert. Anschließend wurden die Tropfenladung und der Kontaktwinkel auf der fluorierten Oberflächen gemssen. Der Kontaktwinkel wurde mit einem modifizierten Goniometer gemessen. Im Vergleich zum Monochlorosilan war die Tropfenladung auf der Trichlorosilanoberfläche hoch und abhänging von den chemischen und physiklaischen Eigenschaften des Substrates. Mit Hilfe der modifizierten Kontaktwinkelmessung konnte gezeigt werden, dass die hohe Tropfenladung zur Oberflächenadaptation führt.