@phdthesis{Beucher2024,
  author    = {Beucher, Lucas},
  title     = {Angle-dependent deposition of thin amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) layers on selected biodegradable polymer films},
  url       = {https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:kob7-24795},
  institution = {Institut f{\"u}r Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik},
  school    = {Universit{\"a}t Koblenz, Universit{\"a}tsbibliothek},
  pages     = {141},
  year      = {2024},
  abstract  = {Die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten biologisch abbaubaren Polymere Polymilchs{\"a}ure (polylactic acid, PLA) und Polyhydroxybutters{\"a}ure (polyhydroxybutyrate, PHB) wurden im Rahmen dieser Arbeit mit hydrierten amorphen Kohlenstoffschichten (amorphous hydrogenated carbon, a-C:H) bei unterschiedlichen Winkeleinstellungen mit verschiedenen Dicken beschichtet. {\"A}hnlich wie herk{\"o}mmliche Polymere haben Biopolymere oft ungeeignete Oberfl{\"a}cheneigenschaften f{\"u}r industrielle Zwecke, z.B. eine geringe H{\"a}rte. F{\"u}r manche Anwendungen ist es daher notwendig und vorteilhaft, die Oberfl{\"a}cheneigenschaften von Biopolymeren unter Beibehaltung der Haupteigenschaften des Tr{\"a}germaterials zu modifizieren. Eine geeignete Oberfl{\"a}chenmodifikation ist das Aufbringen von d{\"u}nnen a-C:H Schichten. Ihre Eigenschaften h{\"a}ngen wesentlich vom sp²- und sp³-Hybridisierungsverh{\"a}ltnis der Kohlenstoffatome und dem Gehalt an Wasserstoffatomen ab. Das sp²/sp³-Verh{\"a}ltnis sollte in der vorliegenden Arbeit durch Variation der Beschichtungsgeometrie gesteuert werden. Da Beschichtungen bei 0°, direkt vor der Plasmaquelle, einen h{\"o}heren Anteil an sp³ und indirekt (180°) beschichtete ein h{\"o}heren Anteil an sp² aufweisen, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass es m{\"o}glich ist, das sp²/sp³ -Verh{\"a}ltnis zu kontrollieren. Dazu werden die einzelnen Proben in den Winkeln 0, 30, 60, 90, 120, 150 und 180° vor der Plasmaquelle platziert und mit einer Dauer von 2.5, 5.0, 7.5 und 10.0 Minuten beschichtet. F{\"u}r den Winkeln 0° ergaben sich die Schichtdicken von 25, 50, 75 und 100 nm. Die a-C:H Schichten wurden alle mit Radiofrequenzplasma-unterst{\"u}tzter chemischer Gasphasenabscheidung und Acetylen als C und H Quelle abgeschieden, nachdem sie 10 Minuten lang mit einem Sauerstoffplasma vorbehandelt worden waren. Nach dieser O₂-Behandlung und der a-C:H Abscheidung werden die Oberfl{\"a}chen mit makroskopischen und mikroskopischen Messmethoden untersucht und die Daten anschließend analysiert. Die Oberfl{\"a}chenmorphologie wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der Rasterkraftmikroskopie erfasst. Auf diese Weise k{\"o}nnen auch Informationen {\"u}ber die Stabilit{\"a}t der Schicht und die Oberfl{\"a}chenrauhigkeit gesammelt werden. Mit Kontaktwinkelmessungen (contact angle, CA) wird nicht nur die Benetzbarkeit, sondern auch die Kontaktwinkelhysterese durch Auf- und Abpumpen des Tropfenvolumens bestimmt. Durch Messung des CA von verschiedenen Fl{\"u}ssigkeiten und deren Vergleich werden die freie Oberfl{\"a}chenenergie (surface free energy, SFE) und ihre polaren und dispersiven Bestandteile bestimmt. Die Ver{\"a}nderungen der Barriereeigenschaften werden durch Wasserdampftransmissionstests (water vapor transmission rate, WVTR) {\"u}berpr{\"u}ft. Die chemische Analyse der Oberfl{\"a}che erfolgt zum einen durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit spiegelnder Reflexion und zum anderen durch Synchrotron unterst{\"u}tzte Techniken wie der Nahkanten-R{\"o}ntgenabsorptionsfeinstruktur und der R{\"o}ntgen-Photoelektronenspektroskopie. Bei der Analyse der Oberfl{\"a}chen nach der O₂ Behandlung, von der zun{\"a}chst angenommen wurde, dass sie nur der Reinigung und Aktivierung der Oberfl{\"a}che f{\"u}r die a-C:H Beschichtung dient, wurde festgestellt, dass die Ver{\"a}nderungen drastischer sind als urspr{\"u}nglich angenommen. Wird PLA zum Beispiel bei 0° f{\"u}r 10 Minuten behandelt, steigt die Rauheit um das F{\"u}nffache. Mit zunehmendem Winkel verringert sich diese wieder, bis sie bei 180° wieder dem Ausgangswert entspricht. Bei PHB hingegen wird durchgehend ein {\"a}hnlicher Wert gemessen. F{\"u}r beide Polymere l{\"a}sst sich zeigen, dass der polare Anteil der SFE zunimmt. In der WVTR ist bei PLA eine Abnahme der Permeabilit{\"a}t und bei PHB ein Anstieg des Ausgangswertes zu beobachten. Die chemische Oberfl{\"a}chenanalyse zeigt, dass die O₂ Behandlung kaum Auswirkungen auf die Oberfl{\"a}chenbindungen hat. Insgesamt kann in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die O₂ Behandlung auf die Eigenschaften der Oberfl{\"a}che auswirkt und nicht ausschließlich als Reinigungs- und Aktivierungsprozess betrachtet werden kann. Bei direkter a-C:H Beschichtung (bei 0°) ist sowohl bei PLA als auch bei PHB ein Schichtversagen bei 10.0 Minuten aufgrund von Eigenspannung zu beobachten. Dies ist bei PHB in geringerem Maße auch bei 30° zu erkennen. Die Durchl{\"a}ssigkeit der Polymere wird bei einer f{\"u}nf min{\"u}tigen Beschichtung um 47\% reduziert und auch die Schicht bei 10.0 Minuten f{\"u}hrt diesen Effekt trotz auftretender Risse weiter. Die Aufbringung von a-C:H Schichten zeigt f{\"u}r beide Polymertypen bei direkter Beschichtung eine Dominanz von sp³-Bindungen. Mit zunehmendem Winkel nimmt diese ab und bei indirekten Beschichtungen werden sp²-Bindungen dominierend. Dieses Ergebnis ist f{\"u}r alle Schichtdicken {\"a}hnlich, nur der Winkel, bei dem der Wechsel der dominanten Bindung stattfindet, ist unterschiedlich. Es wird gezeigt, dass es m{\"o}glich ist, die Oberfl{\"a}cheneigenschaften durch eine winkelabh{\"a}ngige Beschichtung zu steuern und somit das Verh{\"a}ltnis sp²/sp³ zu kontrollieren.},
  language  = {en}
}