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In situ-Untersuchung von organisch/anorganischen Grenzflächen mit spektraler Ellipsometrie

Bastuck, Thimo

English Title: In situ investigation of organic/inorganic interfaces by spectral ellipsometry

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PDF, German
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Abstract

In dieser Arbeit wurden Grenzflächenphänomene zwischen Polymeren und Oberflächen von Festkörpern wie Glas und Metallen in situ (im wesentlichen mit spektraler Ellipsometrie) untersucht. Dabei stand insbesondere die Frage nach einer Segregation von Entformungsmitteln in Polycarbonat an der Grenzfläche zum Metall bzw. nach einem neuen Meßkriterium für die entformende Wirkung der Additive im Vordergrund. Zunächst wurde mittels einem wohldefinierten dünnen organischen Film (Alkylsilan) an der Grenzfläche zwischen flüssigem Polycarbonat und Glas nachgewiesen, daß man mit der gewählten experimentellen Anordnung in der Tat auf sehr dünne segregierte Filme typischer Entformungsmittel im Nanometerbereich sensitiv ist. Anhand eines Polycarbonat/Entformer-Gemisches in hoher Konzentration (Makrolon® + 1% Pentaerythrittetrastearat) wurde die Segregation des Entformungsmittels unter dem Einfluß von Scherkräften untersucht. Eine Segregation wurde nicht beobachtet, womit die Dicke einer möglicherweise dennoch vorhandenen segregierten Schicht auf maximal ~1 nm abgeschätzt werden konnte. Durch Betrachtung der Grenzfläche während Abkühlung der Polymerschmelze und Phasenübergang flüssig->fest konnte eine Meßgröße, basierend auf den an der Grenzfläche nach Erstarren der Schmelze entstehenden Spannungen, gefunden werden, die es erlaubt, die entformende Wirkung von Additiven zu beurteilen. Anhand der vorliegenden Makrolon®/Entformer-Systeme wurde gezeigt, daß die vorgestellte Methode als neuer "Schnelltest" bei der Suche nach neuen Entformungsmitteln eingesetzt werden kann. In weiteren Experimenten wurde die Polymer-Adsorption aus Lösung auf eine Goldoberfläche untersucht. Dabei stand die Kinetik der Adsorptionsprozesse selbstorganisierender Monolagen ("SAM") im Vordergrund. Nachdem zunächst als Modellsystem die Adsorption von Oktadekanthiol aus ethanolischer Lösung auf Gold beobachtet wurde, wurde das Wachstum einer "Polymerbürste" eines Alkanthiol-terminierten Poly(ethylenglykol)-Polymers ("PEG2000-SH") aus Dimethylformamid untersucht. Die Kinetik der Oktadekanthiol-Adsorption läßt sich phänomenologisch am besten mit zwei unterschiedlich schnellen Langmuir-Adsorptionsschritten beschreiben (wie aus der Literatur bekannt). Simultan zu den Ellipsometrie-Messungen an den gleichen Proben durchgeführte Frequenzverdopplungs (SHG)-Messungen zeigten eine wesentlich schnellere Kinetik als die Ellipsometrie-Messungen. Mögliche Gründe für die Unterschiede werden diskutiert. Bei der Adsorption des PEG2000-SH konnten ebenfalls zwei Adsorptionsschritte beobachtet werden: ein erster Schritt, in dem das Polymer relativ schnell die Goldoberfläche in einer "pilzartigen" Konformation bedeckt, sowie ein zweiter Schritt, in dem ein Übergang zu einer gestreckten Konformation verbunden mit weiterem Filmdickenwachstum bei Adsorption weiterer Moleküle stattfindet. Der Filmbildungsmechanismus läßt sich mit einer statistisch-mechanischen Theorie von Kreuzer et al. quantitativ interpretieren.

Translation of abstract (English)

Interfacial phenomena between polymers and different types of solids such as glass and metals were investigated in situ (predominantly with spectral ellipsometry). Segregation studies of mold release agents at the polycarbonate/metal interface resulted in a new criterion to identify delamination. The sensitivity limit (~nm) of the experimental setup with respect to very thin segregated layers (like typical mould release agents) between liquid polycarbonate and glass was established by use of a well-defined, thin organic layer (alkyl silane). Segregation of a mold release agent under shear forces was investigated using a polycarbonate/mold release blend (Makrolon® + 1% pentaerythritol tetrastearate). From the lack of any observable segregation an upper limit of the thickness of the segregation layer of 1 nm was concluded. In further experiments interfacial processes were monitored during cooling and solidification of a polycarbonate melt. The ellipsometric signal reflects the stress built-up during solidification. It can be used as a criterion for delamination and can be applied for fast screening of new mold release agents. In a second set of experiments adsorption from solution onto gold surfaces was studied. Adsorption kinetics of self assembling monolayers ("SAMs") was monitored both for octadecane thiol from ethanol solution and for a poly(ethylenglykol) polymer ("PEG2000-SH") from dimethyl formamide. In the ellipsometric measurements octadecane thiol adsorption kinetics is phenomenologically best described by two Langmuir type adsorption steps occuring on different time scales, in agreement with literature. Second harmonic measurements (SHG) carried out simultaneously on the same samples show considerably faster kinetics compared to the ellipsometric measurements. Possible reasons for this difference are discussed. Adsorption of PEG2000-SH, also proceeds in two steps: a first one, where the polymer covers the gold surface relatively fast in a "mushroom like" conformation, and a second step where a transition to a stretched conformation takes place resulting in a further increase of film coverage and thickness. A statistical mechanical theory by Kreuzer et al. quantitatively describes the experimental data.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Buck, Dr. Manfred
Date of thesis defense: 17. December 2002
Date Deposited: 13. Jan 2003 08:37
Date: 2002
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Ellipsometrie, In situ, Polymerschmelze, Polymere, Polycarbonate, Additiv, Kunststoffadditiv, Segregation <Technik>, Grenzfläche, Adsorptions
Uncontrolled Keywords: Entformung , Entformungsmittel , Polymerbürsteellipsometry , interface , polymer , mold release agents , alkane thiols , kinetics
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