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Plasma polymers and electrospray-ionization (ESI) polymer layers are compared for most efficient adhesion promotion in carbon fiber-epoxy resin composites. The ultra-thin ESI layers (2–30 nm) of commercial poly(acrylic acid) and poly-(hydroxyethylmethacrylate) produce an significant increase of adhesion measured by single-fiber pull out tests.
However, plasma Treatment has also advantages, such as simultaneous activation of the fiber substrate. Chemical structure and composition are rather far from the regular structure of commercial polymers as deposited by ESI processing.
Polyglycerol (PG) coated polypropylene (PP) films were synthesized in a two-step approach that involved plasma bromination and subsequently grafting hyperbranched polyglycerols with very few amino functionalities. The influence of different molecular weights and density of reactive linkers were investigated for the grafted PGs. Longer bromination times and higher amounts of linkers on the surface afforded long-term stability. The protein adsorption and bacteria attachment of the PP-PG films were studied. Their extremely low amine content proved to be beneficial for preventing bacteria attachment.
Thin coatings of poly(acrylic acid) (PAA) and poly(hydroxyethylmethacrylate) (PHEMA) were deposited onto carbon fibers by means of the electrospray ionization (ESI) technique in ambient air. These high-molecular weight polymer layers were used as adhesion promoters in carbon fiberepoxy resin composites. Within the ESI process, the carbon fibers were completely enwrapped with polymer in the upper 10 plies of a carbon fiber roving. As identified with scanning electron microscopy also shadowed fibers in a bundle as well as backsides of fiber rovings were pinhole-free coated with polymers (electrophoretic effect'). Under the conditions used, the layers have a granular structure. Residual solvent was absent in the deposit. PAA and PHEMA films did not show any changes in composition and structure in comparison with the original polymers as analyzed by X-ray photo-electron spectroscopy and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Single-fiber pullout tests of coated fibers embedded in epoxy resin showed significantly increased interfacial shear strength. It is assumed that chemical bonds between carbon fiber poly(acrylic acid) and epoxy resin contribute significantly to the improved interactions.
Activators regenerated by electron transfer–atom radical transfer polymerization (ATRP) as a controlled living polymerization are distinguished by their acceptance of small amounts of transition-metal complexes and oxygen and by their tolerance of reducing agents at a high concentration. The precondition of all ATRP applications is the use of homolytic or heterolytic cleavable halides as a dormant species; this allows the propagation of monomer chains. Hence, alkyl bromides are slightly cleavable and are the preferred initiators for ATRP. The bromination of polymer slides used as macroinitiators was carried out under gentle bromoform plasma conditions. This led to an oxidation-resistant stable bromine layer. More than 20 bromines per 100 carbons on the polymer scaffold were permanently bound to the substrate after plasma treatment. The resulting amounts of secondary and tertiary bromines on the polymer scaffold exhibited a suitable macroinitiator concentration for the surface-initiated polymerization of methyl methacrylate and glycidyl methacrylate.
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.
Since more than 40 years ammonia plasma exposure of polyolefins is used for introduction of primary amino groups. The selectivity of this reaction and the yield in primary amino groups was found to be low. Here, a prominent side-reactions of this process was investigated, the hydrogenation by NH3 plasma. For identification of hydrogenation ammonia (NH3) and deuterated ammonia (ND3) were exposed to Polyethylene (h-PE) and fully deuterated polyethylene (d-PE) as well as hexatriacontane (h-HTC) and fully deuterated hexatriacontane (d-HTC) as low-molecular weight model for PE. HD exchange was assumed and detected by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToFSIMS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR) and 1H and 2H Nuclear magnetic Resonance. Results show a significant HD exchange within the sampling depth of ATR (2.5 µm). However, N- and NH2 introduction was limited to the topmost surface as shown by SIMS and XPS (a few nanometers).
ToF-SIMS has been used to study the surface functionalization of polypropylene and polyethylene samples by exposure to low-pressure ammonia plasma. Static secondary ion mass spectrometry is an appropriate tool to determine hydrogen isotopes as elements and in fragment ions with high sensitivity and selectivity. Specifically the exchange of hydrogen isotopes and the incorporation of N-containing moieties in the near-surface layer of the polyolefins have been studied in ND3 plasma experiments with conventional polypropylene (h-PP) and polyethylene (h-PE) and NH3 plasma experiments with deuterated polyethylene (d-PE). Considering the exchange of hydrogen between the plasma and the polymer surface studied by using deuterated ammonia and polyolefin samples the conclusion has been derived that polypropylene with its side chain methyl groups is more susceptible to hydrogen exchange reactions. For ND3 plasma treatment of polyethylene and polypropylene similar N-containing fragments were obtained and the measured semi-quantitative ToF-SIMS N-uptake data are rather similar. The observation of a wide range of characteristic mixed CkNlHmDn+ secondary fragment ions suggests complex and manifold reaction pathways at the polymer–plasma interface besides simple grafting of –ND2 or –NH2 moieties formed by ammonia fragmentation in the plasma. Finally, indications of an isotopic effect for hydrogen isotopes in the plasma process have been observed by comparison of ND3/h-PE results with those of NH3/d-PE.
Plasma-chemical bromination has been shown to be well-suited for highly selective and efficient C–Br-functionalization of polyolefin surfaces and has now been applied to graphitic materials, including highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), natural graphite, carbon nanotubes, and graphitized carbon fibres. In contrast to the radical substitution of hydrogen by bromine at hydrogen-terminated sp3-hybridized carbon, bromination of all-carbon bound sp2-hybridized carbon in graphene requires addition to aromatic double bonds. The related change of sp2 to sp3 hybridization of the carbon atoms involved helps to explain experimental results of a loss in surface planarity on brominated HOPG. Bromine concentrations of up to 50 bromine atoms per 100 C-atoms were achieved in elemental bromine vapour under low-pressure plasma conditions using low-energetic inductively coupled radio-frequency plasma excitation. The time scale of the bromination progress was found to increase with the specific surface area of the material. The results of plasma-chemical bromination are compared to that of wet-chemical electrophilic addition reactions, which achieved 28 Br per 100 C for MWCNT. The resulting C–Br bonds from plasma-chemical processing of graphitic materials were shown to be well-suited for hydroxyl functionalization and for grafting of organic molecules by nucleophilic substitution with 1,6-diaminohexane and (3-aminopropyl)triethoxysilane.
Selektiv funktionalisierte Oberflächen von Polyolefinen sind für verschiedenste Einsatzgebiete wie Adhäsions-, Chemie-, Medizin- und Biotechnik von großem Interesse. Eine Möglichkeit Polymeroberflächen effizient zu funktionalisieren ist, diese durch eine plasmaphysikalisch angeregte Gasphase unter Einsatz geeigneter Präkursoren chemisch zu modifizieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung bromhaltiger Gasphasenplasmen, die Bromoform, Allybromid oder tert-Butylbromid enthielten, auf Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) untersucht. Überraschenderweise wurde hierbei eine hochselektive und hochdichte monosortige Br-Funktionalisierung beobachtet. Um die für diese hohe Selektivität verantwortlichen Prozesse zu untersuchen, wurden analoge halogenhaltige Plasmen, die Tetrafluormethan, Fluoroform, Chloroform, Bromoform und Diiodmethan enthielten, auf ihre chemische Selektivität, ihre Funktionalisierungseffizienz und ihr Ionisationspotential und Elektronentemperatur charakterisiert. Es wurde untersucht, ob die Halogenidfunktionalität als CX oder als C-CXn-Gruppe an der Oberfläche gebildet wird. Für die Bewertung der Langzeitstabilität der Funktionalisierung wurde die Nachoxidation der plasmamodifizierten Polymeroberflächen kontrolliert. Im Anschluss wurde die Umsetzbarkeit mit systematisch variierten organischen Verbindungen bestimmt. Ziel hierbei war zu untersuchen, wie gut sich die Bromidfunktionalität als universelle Abgangsgruppe zur Kopplung flexibilisierender Spacer- Moleküle in der Metall-Polymer-Grenzfläche eignet. Es wurden dazu Kopplungsreaktionen mit unterschiedlich langen und steifen endständigen Alkohol-, Amin- und Glykol- Verbindungen durchgeführt. Darüber hinaus wurden Umfunktionalisierungsreaktionen an bromierten Oberflachen durchgeführt. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die C-Br- Funktionalität gegen eine andere auszutauschen. Spezielles Augenmerk wurde auf die Umfunktionalisierung zu primären Aminogruppen gelegt. Diese wurden über einfache Substitutionsreaktionen mit konzentriertem oder verflüssigtem Ammoniak erzeugt. Auch oberflachengebundene Hydroxylgruppen konnten erzeugt werden. Dazu wurden Bromidfunktionen durch Substitution mit Kalium- und Natriumhydroxid in geeigneten Lösungsmitteln umgesetzt. Polypropylenoberflächen, die mit verschiedenen Spacern ausgerüstet worden waren, wurden im Vakuum mit dünnen Filmen aus Aluminium und Kupfer bedampft. Die Haftfestigkeit dieser Beschichtung wurde anschließend durch Schalfestigkeitsmessungen untersucht.