Wolf, Christian (2024)
Untersuchung zur Benetzung löslicher Polymersubstrate und einhergehender Oberflächenveränderungen am System Polystyrol-Toluol.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026780
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In einer Vielzahl von technischen Produktionsprozessen werden Substrate durch Lösungsmittel benetzt, um Oberflächenveränderungen gezielt herbeizuführen. Neben breit etablierten Verfahren wie der Reinigung von Bauteilen, zählen dabei auch solche Herstellungsprozesse, bei denen nur ein örtlich begrenztes Gebiet eines Materials abgetragen werden soll, zu den möglichen Anwendungen.

Die Benetzung löslicher Polymersubstrate durch Lösungsmitteltropfen führt nach hinreichender Zeit zur Auflösung des Substrates unterhalb des Tropfens. Weil während der Tropfenverdunstung gelöstes Substrat an den Tropfenrand transportiert wird, ermöglicht dieser Vorgang gezieltes Abtragen von Polymermaterial unterhalb des Tropfenzentrums. Diese Benetzungsvorgänge sind somit neben den Anwendungen in der Lebensmittel- und Reinigungstechnik etwa auch für die Fertigung von Vertiefungen oder Durchbrüchen mittels tropfenbasierter Druckverfahren interessant. Im Rahmen dieser Arbeit wird die gesamte Lebensspanne von Toluoltropfen, die auf Polystyrolsubstrate platziert werden, unter Beobachtung von Kontaktradius und -winkel untersucht. Anschließend werden die Strukturen, die aus dem Abtragen des Polymermaterials hervorgehen, analysiert. Dabei werden sowohl glatte, raue und strukturierte Vollsubstrate als auch glatte Beschichtungen unterschiedlicher molarer Masse und Dicke eingesetzt.

Für die Herstellung der Vollsubstrate wird auf extrudierte Polystyrolplatten zurückgegriffen, die anschließend mechanisch bearbeitet werden, um gewünschte Oberflächenparameter einzustellen. Die Herstellung der Polymerbeschichtungen geschieht mittels Spin Coating, wobei ausgehend von Polystyrollösungen konstanter Konzentration durch Wahl der Substratwinkelgeschwindigkeit eine Variation der Schichtdicke von 150 nm bis 1800 nm erreicht wird. Die dabei verwendeten Polymere reichen hinsichtlich ihrer gewichtsgemittelten molaren Masse von 18 kg/mol bis 925 kg/mol.

Die Experimente zeigen auf, dass Ausbreitungsvorgänge von Lösungsmitteltropfen auf dünnen Beschichtungen für hinreichend dünne Beschichtungsdicken aus zwei qualitativ unterschiedlichen, zeitlich aufeinanderfolgenden, Phasen bestehen können. Während einer initialen Ausbreitungsphase breiten sich Tropfen gemäß eines Potenzgesetzes aus, wie es für Vorgänge auf inerten Substraten bekannt ist. Eine darauf folgende Phase zeigt ein wesentlich langsameres Fortschreiten der Kontaktlinie, auch im Vergleich zu dem von inerten Substraten bekannten viskos gehemmten Ausbreitungsregime. Für die quantitative Beschreibung der Ausbreitungskinetik in dieser Phase wird eine empirische Gleichung vorgeschlagen. Die Relevanz der späten Ausbreitung hinsichtlich der insgesamt benetzten Fläche nimmt mit abnehmender molarer Masse und Dicke der Beschichtung zu. Der Ausbreitungsvorgang auf rauen Vollsubstraten zeigt qualitative Ähnlichkeit zu den Vorgängen auf dünnen Beschichtungen. Für hinreichend raue Substrate zeigt sich auch dort eine zweite, langsamere Ausbreitungsphase, während der das Lösungsmittel die Rauheitstäler infiltriert. Der Vergleich mit anisotrop strukturierten Oberflächen zeigt auf, dass eine durch Rauheitstäler zusätzlich aufgeprägte Kapillarität den ausbreitungslimitierenden Einfluss von Lösungseffekten verzögern kann. Für Inhomogenitäten mit besonders großen räumlichen Abmessungen kommt es jedoch zur Separation vom Lösemittelreservoir, was die Ausbreitung behindert.

Die Untersuchung der resultierenden Oberflächen nach erfolgter Tropfenverdunstung zeigt, dass die Lösungs- und Verdunstungsprozesse zu ringförmigen Ablagerungen führen. Diese sind je nach Substratpolymer nahezu rotationssymmetrisch, oder zeigen Unregelmäßigkeiten in Ablagerungshöhe und -breite entlang des Umfangs. Die Gestalt der Ablagerungen ist von der molaren Masse und Dicke der Beschichtung und auf Vollsubstraten von deren Oberflächenrauheit abhängig. Hochmolare Beschichtungen zeigen bei einer Beschichtungsdicke von 1000 nm besonders glatte Ablagerungen. Die Verwendung geringerer molarer Massen oder die Variation der Beschichtungsdicke resultiert zumeist in einer regelmäßig in Höhe und Breite gestörten Ablagerungsgeometrie.

Raue Vollsubstrate zeigen im Unterschied zu glatten Substraten ab einer kritischen mittleren arithmetischen Höhe keine Überhöhung entlang des Tropfenrandes. Für Beschichtungen und raue Vollsubstrate werden Mechanismen beschrieben, die ausgehend von hydrodynamischen Instabilitäten oder den Rauheitsspitzen selbst durch lokale Überschüsse des Laplace Drucks zu einer örtlich begrenzten Anhäufung von Polymermaterial führen.

Anhand der genannten Beobachtungen wird abgeleitet, wie der Benetzungsprozess auf den hier untersuchten Systemen qualitativ und quantitativ beschrieben werden kann. Dies erfolgt anhand der Identifikation wesentlicher physikalischen Prozesse, die während spezifischer Benetzungsphasen wirken. Darüber hinaus werden technische Parameter identifiziert und bewertet, die die Benetzung und angegliederte Prozesse quantitativ maßgeblich beeinflussen.

Als wesentliche physikalische Eigenschaften werden für die frühe Benetzungsphase Kapillarität und Massenträgheit identifiziert. Zum Ende der frühen beziehungsweise während der späten Benetzungsphase sind Rekondensations- und Lösungsprozesse maßgeblich beteiligt. Während der Tropfenverdunstung führt die ungleichmäßige Verdunstung entlang der Tropfenkappe zur Neustrukturierung der Polymeroberfläche.

Molare Masse, Dicke und Rauheit des Polymersubstrats erweisen sich als geeignete technische Parameter, um die Größe eines abzutragenden Gebietes und die Gestalt dessen Randes einzustellen.

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