Über das Benetzungsverhalten polymermodifizierter Grenzflächen

In dieser Arbeit wurden an drei Systemen diverse Aspekte des Benetzungsverhaltens von Polymergrenzflächen unter besonderer Berücksichtigung der chemischen Funktionalisierung und der Oberflächentopographie untersucht. In zwei Systemen dienten ultradünne Polymermonolagen mit Schichtdicken im nm-Bereich zur Kompatibilisierung der Oberfläche, im dritten Fall wurden dreidimensionale strukturierte Netzwerke untersucht. <br>Die Untersuchungen zum Autophobizitätsverhalten von Polystyrolschmelzen auf Polystyrolmonolagen, die durch photochemisches Anknüpfen aufgeschleuderter Polymerketten an eine Benzophenonmonolage erhalten wurden, ergaben sowohl eine Abhängigkeit des Benetzungsverhaltens vom Molekulargewicht der kovalent gebundenen Ketten als auch vom Molekulargewicht der Polymerschmelze bei einer konstant gehaltenen Pfropfdichte von 0,8 nm-2. Dabei zeigte sich, dass das Molekulargewicht der Polymerschmelze mindestens so hoch sein muss wie das Molekulargewicht der oberflächengebundenen Ketten, damit ein autophobes Entnetzen stattfinden kann: Für oberflächengebundene Ketten mit einem Molekulargewicht von Mn = 86,3 kg/mol lag der Benetzungsübergang zwischen 10 und 100 kg/mol in Bezug auf das Molekulargewicht der Polymerschmelze, während oberflächengebundene Ketten des Molekulargewichts 545 kg/mol erst ab einem Molekulargewicht der Polymerschmelze von 2420 kg/mol entnetzten. Trotz der im Vergleich zu Polymerbürsten hohen Polydispersität der oberflächengebundenen Ketten ließ sich das Benetzungsverhalten des Systems vergleichsweise leicht kontrollieren. <br>Der zweite Teil der Arbeit umfasste Experimente zum Tropfenaufprall auf chemisch strukturierte Oberflächen. Dabei wurden hydrophile kreisförmige Bereiche hoher Benetzbarkeit mit Durchmessern im mm-Bereich, umgeben von einem Bereich niedriger Benetzbarkeit untersucht. Die strukturierten Substrate wurden durch Erzeugen einer Monolage eines Benzophenonsilans auf einer oxidischen Fläche, gefolgt von der photochemischen Anknüpfung eines Polymers definierter Hydrophilie/Hydrophobie Polymermonolagen bis zu einer Höhe von 12 nm und mit Kontaktwinkeln zwischen 56° und 111° erzeugt. In einem nachfolgenden Ablationsschritt wurde durch Auflegen einer Maske mit einer kreisförmigen Öffnung und Bestrahlen mit UV-Licht niedriger Wellenlänge das Polymer in den bestrahlten Bereichen zersetzt, so dass ein Kontaktwinkel von 20° resultierte. Ein Wassertropfen, der auf die strukturierten Substrate prallte, erfuhr einen Selbstzentrierungseffekt, wenn gewisse Randbedingungen beachtet wurden. Der Bereich, in dem der Selbstzentrierungseffekt auftrat, konnte auf ebenen und geneigten Oberflächen eingegrenzt werden. Die Bildanalyse lieferte ferner quantitative Parameter wie die zeitliche Entwicklung des Kontaktwinkels, den maximalen Ausbreitungsdurchmesser, die Tropfenhöhe, den Gleichgewichtsdurchmesser sowie die örtliche Verschiebung des Tropfens. Die so gewonnenen Daten konnten analysiert und erfolgreich für Simulationen genutzt werden. Weiterhin ließen die Tropfenaufprallergebnisse auf chemisch strukturierte Arrays erkennen, dass die untersuchte Art der Oberflächenstrukturierung interessante Möglichkeiten für das (mehrfache) Bedrucken von Biochips bietet und so gängige Probleme während des Herstellungsprozesses vermieden werden können. <br>Der dritte Teil der Arbeit umfasste Versuche zur Herstellung einer biomimetischen Frauenmanteloberfläche. Mittels eines doppelten Abformansatzes konnten hydrophile elastische Polymernetzwerke erzeugt werden. Dabei wurde zunächst entweder durch Funkenerosion ein geeigneter Metallstempel erzeugt oder natürliche Frauenmantelblätter dienten als Abformvorlage. Durch Abformen der Vorlagen in Polydimethylsiloxan wurden sodann Negative der Strukturen erhalten. In diesen Negativen wurde zuletzt eine radikalische Polymerisation von HEMA mit EGBM als Vernetzer durchgeführt und ein hydrophiles, elastisches und quellbares Netzwerk der entsprechenden Dimensionen erhalten. So wurden Netzwerke mit Aspektverhältnissen von bis zu 100 erzeugt, wobei schon ab einem Aspektverhältnis von vier eine Büschelbildung der Säulen beobachtet wurde, eine Eigenschaft, welche für die Wasser abweisenden Eigenschaften der elastischen Strukturen unerlässlich ist. Wasserkontaktwinkel konnten auf den Strukturen nicht gemessen werden, da die starke Quellfähigkeit der Netzwerke zu einer sofortigen Inkorporation des Wassers führte. Um den Trend der Säulen auf das Benetzungsverhalten abzuschätzen, wurde eine Ga/In/Sn-Legierung sehr hoher Oberflächenspannung für Kontaktwinkelmessungen verwendet. Die Resultate deuteten auf eine Kontaktwinkelerhöhung durch die Mikrostruktur der Oberfläche hin. Um letztendlich das gleiche Benetzungsverhalten zu erzeugen wie auf der natürlichen Blattoberfläche, muss der optimale Vernetzungsgrad des Elastomers bestimmt und die chemische Zusammensetzung des Netzwerks verbessert werden, z. B. durch Hinzufügen eines Comonomers, so dass die Zielstrukturen sich gegenüber Wasser nur mäßig hydrophil verhalten und dennoch leicht aus der Negativform zu entfernen sind.

Author dc:creator

• Mock, Ulrike

Contributors dc:contributor

• Rühe, Jürgen

• polymermodifizierte Oberflächen
• wetting
• interface
• surface
• polymer

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