Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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A look inside nanoparticles
(2019)
Small-angle scattering is the method of choice when it comes to obtaining information about the interior of nanoparticles. The aim is to make nanotechnology safer. While the use of small-angle neutron scattering (SANS) is limited to a few instruments in the world, small-angle X-ray scattering (SAXS) is widely accessible, with an upward trend. The example of core-shell particles shows how simple their analysis is with data from an Anton Paar laboratory system. Here, SAXS is a central tool for the development of new reference materials based on poly(methyl) acrylate-PVDF core-shell particles. The dimensions of the cores and shells can be precisely determined. A detailed analysis makes it possible to show that the cores contain fluorinated and nonfluorinated polymers, whereas the shell consist only of PVDF. This core-shell particles with a diameter around 40 nm show a significantly higher PVDF beta phase content than the PVDF homopolymer when using an emulsion polymerization technique. This finding is of importance with respect to applications in electroactive devices.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon that can be observed on almost any material after the irradiation by linearly polarized laser beams, particularly when using ultrashort laser pulses with durations in the femtosecond to picosecond range.
During the past few years significantly increasing research activities have been reported in the field of LIPSS, since their generation in a single-step process provides a simple way of nanostructuring and surface functionalization towards the control of optical, mechanical, biological, or chemical surface properties. In this contribution the mechanisms of formation and current applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting properties, the mimicry of the natural texture of animal integuments, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, the advancement of medical pacemakers, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the crystallinity of the framework. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by Electron Probe Microanalysis (EPMA) with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) at an SEM.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
The performance of functional coatings and adhesively joined hybrid components relies strongly on the stability of the polymer-metal interface. With the increasing utilization of multi-material structures in the automotive and aerospace industry, it is of great scientific and technical interest to understand the processes leading to interface degradation and to develop novel strategies to increase corrosion and delamination resistance.
The aim of this project is to develop thin epoxy-based films and their carbon nanofiller loaded composites on aluminium alloy AA2024-T3 as a model system and to investigate their interfacial stability under corrosive and coupled corrosive-mechanical load. Spin coating was used for the layer-by-layer deposition of poly[(o-cresyl glycidyl ether)-co-formaldehyde] and poly-(ethylenimine) bi-layers. Atomic force microscopy (AFM) results indicate a very homogeneous and dense film with low surface roughness. Carbon nanofillers were introduced either by mixing into the coating components or in between individual layers to control the separation between the carbon nanofillers and alloy surface. The film chemistry and barrier properties were characterized by means of spectroscopic and electrochemical methods, respectively. The degradation and delamination behavior of the epoxy-based films was characterized by means of in situ AFM corrosion experiments. The quantitative imaging (QI) mode allowed the observation of hydrogen-generation induced blister formation during exposure to corrosive electrolyte and how the local corrosion processes evolved with exposure time. Complementary energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis was performed to correlate the corrosion behavior with the different intermetallic particle chemistries and distributions. The presentation will summarize our results on the effect of interface chemistry and carbon nanofiller – alloy separation on the initiation of local corrosion processes on thin film covered AA2024-T3 aluminium alloys.
Applications on Surface Functionalization by Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS)
(2019)
In recent years, the understanding on the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has led to an emerging variety of applications that modify the optical, mechanical and chemical properties of many materials. Such structures strongly depend on the used polarization and are formed usually after irradiation with ultrashort linearly polarized laser pulses. Some specific formation mechanisms to explain every situation are still to be uncovered, but the most accepted explanation relies on the interference of the incident laser beam with electromagnetic surface waves that propagate or scatter at the surface of the irradiated materials. This leads to an intensity modulation that is finally responsible for the selective ablation in the form of parallel structures with periodicities ranging from hundreds of nanometers up to some micrometers. The versatility when forming such structures is based on the high reproducibility with different wavelength, pulse duration and repetition rate laser sources, customized micro- and nanometric spatial resolutions and compatibility with industrially relevant processing speeds when combined with fast scanning devices. In this contribution, we review the latest applications in the rapidly emerging field of surface functionalization through LIPSS, including biomimetic functionalities on fluid transport, control of the wetting properties, specific optical responses in technical materials, improvement of tribological performance on metallic surfaces and bacterial and cell growth for medical devices among many others.
Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zer-störend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal:nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar.