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Organisationseinheit der BAM
Die hochselektive und ausbeutereiche plasmachemische Bromierung von Polyolefinoberflächen wurde auf graphitische Materialien übertragen. Oberflächen von graphenartigem Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG), natürlichem Graphit, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) sowie Kohlenstoff-Fasern wurden im Bromdampfplasma behandelt. Während die Bromierung von Polyolefinoberflächen als radikalische Wasserstoffabstraktion mit nachfolgender Addition (Rekombination) oder durch nucleophile Substitution an sp³-hybridisierten C-Atomen abläuft, können graphitische Strukturen sowohl an sp³-hybridisierten Strukturdefekten als auch durch elektrophile Addition an vollständig C-substituierte aromatische Doppelbindungen bromiert werden. Dabei werden die planaren (graphitischen) sp²-C-Atome in die tetraedrische sp³-Hybridisierung umgewandelt und zu elektrisch nichtleitenden Strukturen gefaltet.
Die maximalen Bromausbeuten bei Verwendung von Brom als Plasmamedium lagen je nach Substrat zwischen 1050% Br/C, mit Bromoform deutlich darüber, was durch Kombinationen von Bromoform mit Brom oder Allylbromid mit Bromoform durch Schichtbildung auf über 70% Br/C gesteigert werden konnte.
An die C-Br-Gruppen wurden nasschemisch verschiedene Amine nucleophil gepfropft. Die Pfropfausbeuten von 110 Moleküle je 100 C lagen deutlich niedriger als die erreichten Pfropfgrade von etwa 122 Moleküle je 100 C-Atome an Polyolefinoberflächen. Da nach der chemischen Pfropfung nahezu alle nichtgepfropften Br-Gruppen verschwunden waren, muss auf eine bevorzugte Rekonstruktion der planaren sp²-Graphitschicht geschlossen werden.
Zur Verbesserung der Verbundfestigkeit kann beim Kleben [1] oder Beschichten von Polymeren die Oberfläche mittels 02-Plasma gereinigt (Feinstreinigung) und aktiviert werden. Bei der Plasmaaktivierung werden sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen auf der Oberfläche gebildet.
Die Polymersubstrate wurden mit 02-Plasma behandelt, zum einen mit einem Plasmajet bei 200 W (PP, PA) und zum anderen mit einem Mikrowellenplasma bei 100 W (Folie: PE, PP, PS, PC, PET), mittels FTIR-Spektroskopie (p-ATR) charakterisiert sowie die Änderung der Oberflächenenergie mittels Kontaktwinkelmessung bestimmt.
Polypropylen (PP) ist als Niedrigenergie-Polymer ohne nass- und plasmachemische Vorbehandlung weder haftfest zu beschichten noch verbundfest zu kleben. Typische Haft- bzw. Klebfestigkeiten liegen für die unbehandelte Polymeroberfläche bei maximal 0,5 MPa. Hinzu kommt, dass bei der Bestimmung von Haft- und Klebfestigkeiten der unmodifizierten Oberfläche mit großen Streuungen zu rechnen ist, die bezogen auf die Spannweite durchaus einem Faktor 5 entsprechen können. Generell besteht bei Prüfung der Haftfestigkeit mittels Stirnabzugsversuch und bei der Prüfung der Klebfestigkeit die Notwendigkeit eines statistisch validierten Herangehens. Hierzu sind zeitaufwändige Ein-Proben-Klebungen und -Prüfungen nur eingeschränkt geeignet. Zudem ist, insbesondere für geringe Haft- bzw. Klebfestigkeiten, ein querkraftfreies Prüfen Grundvoraussetzung. Im vorliegenden Beitrag werden verschiedenartige plasmagestützte Oberflächenfunktionalisierungen von PP sowie das Mehr-Proben-Konzept zur Klebung/Prüfung von bis zu acht Proben vorgestellt. Dazu werden ein BAM-Funktionsmuster einer Mehr-Proben-Kleb-Vorrichtung und eine kommerzielle analytische Zentrifuge zum Prüfen verwendet.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Die Elektrospray-Ionisations (ESI)-Vernebelung von Polymerlösungen wird analytisch zur massenspektrometrischen Bestimmung der Molmassen von Makromolekülen genutzt. Dabei werden die Polymermoleküle nach einem speziellen Mechanismus im Hochspannungsfeld unter Normaldruckbedingungen vereinzelt und in das Massenspektrometer überführt. Dieser Prozeß kann auch zur flächigen Abscheidung einzelner Polymermoleküle genutzt werden. Die Struktur und Zusammensetzung sowie die Molmassenverteilung der Polymere bleiben dabei erhalten. Schichten polarer oder ionischer Polymere der Dicke einer Quasi-Monolage bis hin zu mehreren 100 Nanometern können abgeschieden werden. Erwähnenswert ist, daß der ESI-Prozeß zu den elektrophoretischen Verfahren gehört, was die Ausbildung lochfreier Schichten auf elektrisch leitenden Substraten nicht nur auf der der Spraydüse zugewandten Seite ermöglicht, sondern auch auf der abgeschatteten Rückseite. Dieses Verhalten wurde zur vollständigen ESI-Umhüllung von dichtgepackten Kohlenstoff-Faser-Bündeln mit haftvermittelnden Polymerschichten ausgenutzt.