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Benetzung und Grenzflächenspannung von Polymeren

Gruppenleiterin

           Dr. Karina Grundke

Mitarbeiter

Die Steuerung der Benetzbarkeit und Grenzflächenspannung von polymeren Materialien ist für zahlreiche Anwendungen und Technologien von großem Interesse. Beschichtungsprozesse, das Bedrucken oder Verkleben von Polymeren, aber auch die Biokompatibilität oder das Selbstreinigungsvermögen werden maßgeblich durch diese Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Bei Strukturierungsprozessen in der Mikroelektronik oder auf dem Gebiet der Microfluidik spielen diese Oberflächenparameter ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Benetzungs- und Adhäsionseigenschaften müssen in weiten Bereichen variiert werden, wobei sowohl völlig inerte Oberflächen als auch reaktive Oberflächen von Interesse sind.

Unsere bevorzugte Strategie ist die experimentelle Bestimmung dieser Oberflächenparameter mittels Kontaktwinkelmessungen und die Bestimmung der Oberflächenspannung von Polymerschmelzen durch Tropfenprofilanalyse- und modifizierten Wilhelmy-Techniken.

Für die Bestimmung der Oberflächenspannung von festen Polymermaterialien verwenden wir indirekte Methoden auf der Basis von Benetzungs (Kontaktwinkel)- messungen in Kombination mit grenzflächenenergetischen Modellen (z. B. Equation-of-state-Ansatz für fest-flüssig Grenzflächenspannungen). Für poröse Polymersysteme, wie zum Beispiel Pulver, Granulat, Faserbündel oder Membranen, wurde eine neue Strategie zur Bestimmung der oberflächenenergetischen Eigenschaften dieser Materialien entwickelt, die auf dem kapillaren Eindringen von Flüssigkeiten unterschiedlicher Oberflächenspannung und Polarität beruht.

Im Fokus unserer Arbeit steht die Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Oberflächenspannung und Benetzbarkeit von Polymeroberflächen und ihren Adhäsionseigenschaften sowie die Korrelation dieser makroskopischen Grenzflächeneigenschaften mit der mikroskopischen und molekularen Oberflächenstruktur.

Arbeitsrichtungen

  • Modellansätze zur Abschätzung der oberflächenenergetischen Eigenschaften von Polymeren aus Benetzungs- und Oberflächenspannungsmessungen (Interpretation von Kontaktwinkeldaten, Kontaktwinkel auf imperfekten Festkörperoberflächen, z. B. rauen und heterogenen Oberflächen, poröse Festkörpersysteme)

  • Zusammenhänge zwischen Oberflächenspannung von Polymermaterialien und deren Bulk- und Oberflächenstruktur (Struktur-Eigenschafts-Korrelationen)

  • Neue Strategien zur experimentellen Bestimmung der Oberflächenspannung von Polymerschmelzen bei erhöhten Temperaturen (simultane Messung von Oberflächenspannung und Dichte von Polymerschmelzen)

  • Einfluss der Rauheit auf die Benetzbarkeit (Polymere mit selbstreinigenden Eigenschaften)

  • Einfluss von Additiven auf die Oberflächenspannung von Mischungen

  • Erfassung der Oberflächenspannung von reaktiven Mehrkomponentensystemen

  • Kopplung von in situ Methoden zur Untersuchung der Adsorption von Tensiden und Proteinen oder der Benetzbarkeit von Hydrogelen (z.B. ADSA-TRIS: eine neue Methode, um Grenzflächenphänomene an der Grenzfläche Polymer/ wässrige Lösung zu studieren)

  • Adhäsionsprozesse in technologisch relevanten Systemen (Beschichtungen, Verbunde, Blends)

  • Verständnis und Kontrolle der Grenzflächenwechselwirkungen bei Prozessen der Halbleiterfertigung (Fotolithografie, Montage und Verpackung der Chips)

Ausgewählte Veröffentlichungen (in Fachbüchern)

K. Grundke
Surface-energetic properties of polymers in controlled architecture
in: Molecular interfacial phenomena of polymers and biopolymers (Chapter 10), Edited by P. Chen, Woodhead Publ., 2005, pp. 323-374 

Grundke K, Nitschke M, Minko S, Stamm M, Froeck C, Simon F, Uhlmann S, Pöschel K, Motornov M
Merging two concepts: Ultrahydrophobic polymer surfaces and switchable wettability
in: Contact Angle, Wettability and Adhesion, Volume 3, Edited by K. L. Mittal, VSP, 2003, pp. 267-291. 

K. Grundke
Wetting, Spreading and Penetration,
in: Handbook of Applied Surface and Colloid Chemistry (Chapter 7),
Edited by Krister Holmberg. John Wiley & Sons Ltd., 2002, pp. 119-140

Ausgewählte Veröffentlichungen (in Zeitschriften)

  1. Tavana, H.; Jehnichen, D.; Grundke, K.; Hair, M.L.; Neumann, A. W.
    Contact angle hysteresis on fluoropolymer surfaces mehr
    Advances in Colloid and Interfaces Science 134-135 (2007) 236-248

  2. Drechsler, A.; Petong, N.; Bellmann, C.; Busch, P.; Stamm, M.; Grundke, K.; Reichelt, J.
    The Effect of Adsorbed Cationic Surfactant on the Pattern Collapse of Photoresist Lines in Photolithographic Processes mehr
    Progress in Colloid and Polymer Science 132 (2006) S 82-94

  3. Ziemer, A.; Azizi, M.; Pleul, D.Pleul; Simon, F.; Michel, S.; Kreitschmann, M.; Kierkus, P.; Voit, B.; Grundke, K.
    Influence of Hyperbranched Polyesters on the Surface Tension of Polyols mehr
    Langmuir 20 (2004) 8096-8102

  4. Yu, L.M.Y.; Lu, J. J.; Chan, Y.-H. M.; Ng, A.; Zhang, L.; Hoorfar, M.; Policova, Z.; Grundke, K.; Neumann, A. W.
    Constrained sessile drop as a new configuration to measure low surface tension in lung surfactant systems mehr
    Journal of Applied Physiology 97 (2004) 704-715

  5. Hennig, A.; Staudinger, U.; Eichhorn, K.-J.; Sahre, K.; Rogalli, M.; Stamm, M.; Neumann, A.W.; Grundke, K.
    Contact Angle Hysteresis: Study by Dynamic Cycling Contact Angle Measurements and Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry on Polyimide mehr
    Langmuir 20 (2004) 6685-6691

  6. Wunnicke, O.; Hennig, A.; Grundke, K.; Stamm, M.; Czech, G.
    Surface properties and topography of 193nm resist after exposure and development mehr
    Proceedings of SPIE 4690 (2002) 332-341

  7. Grundke, K.; Michel, S.; Eichhorn, K.-J.; Beyerlein, D.; Bayer, Th.
    Influence of Chemical Interactions on the Macroscopic Spreading of a Maleic Anhydride Copolymer Melt mehr
    Macromolecular Chemistry and Physics 203 (2002) 937-946

  8. Grundke, K.; Zschoche, St.; Pöschel, K.; Gietzelt, Th.; Michel, S.; Friedel, P.; Jehnichen, D.; Neumann, A.W.
    Wettability of Maleimide Copolymer Films: Effect of the Chain Length of n-Alkyl Side Groups on the Solid Surface Tension mehr
    Macromolecules 34 (2001) 6768-6775

  9. Grundke, K.; Augsburg, A.
    On the determination of the surface energetics of porous polymer materials mehr
    Journal of Adhesion Science and Technology 14 (2000) 765-775

Augsburg A, Grundke K, Pöschel K, Jacobasch HJ, Neumann AW:
Determination of contact angles and solid surface tensions of poly(4-X-styrene) films
Acta Polymerica 49 (1998) 417-426

Tröger J, Lunkwitz K, Grundke K, Bürger W:
Determination of the surface tension of microporous membranes using wetting kinetics measurements
Colloids and Surfaces A 134 (1998) 299-304

Kwok DY, Gietzelt T, Grundke K, Jacobasch HJ, Neumann AW:
Contact Angle Measurements and Contact Angle Interpretation:
I. Contact Angle Measurements by Axisymmetric Drop Shape Analysis and a Goniometer Sessile Drop Technique

Langmuir 13 (1997) 2880-2894

Grundke K, Bogumil T, Werner C, Janke A, Pöschel K, Jacobasch HJ:
Liquid-fluid contact angle measurements on hydrophilic cellulosic materials
Colloids and Surfaces Part A 116 (1996) 79-91

Grundke K, Bogumil T, Gietzelt T, Jacobasch HJ, Kwok DY, Neumann AW:
Wetting measurements on smooth, rough and porous solid surfaces
Progress Colloid and Polymer Science 101 (1996) 58-68

 
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