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Untersuchung zur Benetzung löslicher Polymersubstrate und einhergehender Oberflächenveränderungen am System Polystyrol-Toluol

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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Wolf, Christian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Untersuchung zur Benetzung löslicher Polymersubstrate und einhergehender Oberflächenveränderungen am System Polystyrol-Toluol
Sprache: Deutsch
Referenten: Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana ; Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen ; Stephan, Prof. Dr. Peter
Publikationsjahr: 2 April 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xviii, 136 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 10 Januar 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026780
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26780
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.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Wetting of soluble substrates are relevant for applications in food processing, cleaning and functional printing. For example, the production of via-holes for complex electrical circuits benefits from a detailed knowledge of these processes.

Wetting of soluble polystyrene substrates by drops of toluene invokes the dissolution of the substrate below the drop. When a polymer solution drop evaporates into the atmosphere substrate material is transported towards the outer edge of the drop. This allows a selective removal of polymer material below the center of the drop. Within this work, the entire lifespan of toluene drops placed on polystyrene substrates is examined. Subsequently, the structures which arise after the complete solvent evaporation are analyzed. Both smooth and rough and structured solid substrates as well as smooth coatings of different molar mass and thickness are considered.

Extruded polystyrene plates are used to manufacture the solid substrates, which are then mechanically processed in order to show the desired surface parameters. The polymer coatings are produced by means of spin coating, whereby, starting from polymer solutions of constant concentration, a variation in the layer thickness from 150 nm to 1800 nm is achieved by variation of the substrate angular velocity. The polymers range in terms of their weight-average molar mass from 18 kg/mol to 925 kg/mol.

The experiments show that the spreading processes of solvent droplets on thin coatings consist of two qualitatively different stages, if the coatings are sufficiently thin. During an initial spreading stage, droplets spread according to a power law, as already known for processes on inert substrates. A subsequent stage shows a much slower progression of the contact line. This progression is slow also in comparison to the viscosity-limited propagation regime known for inert substrates. An empirical equation is proposed for its quantitative description. The relevance of late spreading in terms of total wetted area increases with decreasing molar mass and coating density. The spreading process on rough solid substrates shows qualitative similarity to the processes on thin coatings. For sufficiently rough substrates, a second spreading stage is observed, during which the solvent infiltrates the valleys of the rough substrate. The comparison with anisotropic structured surfaces shows that grooves lead to an additional capillarity. This delays the propagation-limiting influence of solution effects. However, inhomogeneities with particularly large spatial dimensions result in a separation from the solvent drop and thereby from the fluid reservoir, weakening the spreading.

The examination of the resulting surfaces after droplet evaporation shows that the deposition geometry on coatings depends on the molar mass and thickness of the coating aswell as on the surface roughness. With a coating thickness of 1000 nm, high-molar coatings show particularly smooth deposits. The use of lower molar masses or the variation of the coating thickness usually results in a deposit geometry that is regularly disturbed in height and width. In contrast to smooth substrates, rough solid substrates show no elevation along the edge of the drop above a critical mean arithmetic height. From evaluation of surface height and curvature after solvent evaporation on coatings and rough solid substrates, mechanisms are derived, which, starting from hydrodynamic instabilities or the roughness peaks themselves, lead to a localized accumulation of polymer material due to local surpluses in Laplace pressure difference.

Based on the experimental observations, qualitative and quantitative descriptions of the wetting processes are given. For this, the essential physical processes are identified that take effect during specific wetting phases. In addition, parameters are identified and evaluated that have a significant quantitative influence on wetting and associated processes and which can be tuned to influence to outcome of corresponding production processes.

Englisch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-267801
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Technische Thermodynamik (TTD)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Technische Thermodynamik (TTD) > Grenzflächentransport & komplexe Benetzung
Hinterlegungsdatum: 02 Apr 2024 12:03
Letzte Änderung: 03 Apr 2024 05:03
PPN:
Referenten: Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana ; Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen ; Stephan, Prof. Dr. Peter
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 Januar 2024
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