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Benetzung und Grenzflächenspannung von Polymeren

Gruppenleiter

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, Kontaktwinkelhysterese auf imperfekten Festkörperoberflächen, z. B. rauen und heterogenen Oberflächen, poröse Festkörpersysteme)
  • in situ Methoden (captive bubble-Technik) zur Untersuchung der Adsorption von Tensiden und Proteinen oder der Benetzbarkeit von Hydrogelen
  • 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 MischungenErfassung der Oberflächenspannung von reaktiven Mehrkomponentensystemen
  • Zusammenhänge zwischen Oberflächenspannung von Polymermaterialien und deren Bulk- und Oberflächenstruktur (Struktur-Eigenschafts-Korrelationen)
  • Benetzungs- und Adhäsionsphänomene 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, Review)

K. Grundke, K. Pöschel, A. Synytska, R. Frenzel, A. Drechsler, M. Nitschke, A. L. Cordeiro, P. Uhlmann, P. B. Welzel
Experimental studies of contact angle hysteresis phenomena on polymer surfaces - toward the understanding and control of wettability for different applications,
Advances in Colloid and Interfaces Science (2014) in press
http://dx.doi.org/10.1016/j.cis.2014.10.012

K. Grundke
Characterization of polymer surfaces by wetting and electrokinetic measurements- contact angle, interfacial tension, zeta potential,
in: Polymer Surfaces and Interfaces, Characterization, Modification and Applications (Chapter 6),
Edited by M. Stamm. Springer, 2008, pp. 103-138

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

K. Grundke, M. Nitschke, S. Minko, M. Stamm, C. Froeck, F. Simon, S. Uhlmann, K. Pöschel, M. Motornov 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