Controlling properties of polymers in thin films
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde insbesondere der Einfluss des Herstellungsprozesses auf das Verhalten von dünnen Polymerfilmen untersucht. Es wurden Abweichungen vom Verhalten im Volumen mit der Filmherstellung in Beziehung gesetzt. Wir konnten experimentell zeigen, dass interne Spannungen im Film als Resultat des Herstellungsprozesses Abweichungen im Verhalten zumindest teilweise erklären können. Durch die üblicherweise angewandte Rotationsbeschichtung („spincoating“) werden Polymerkonformationen im Nichtgleichgewicht generiert, die Spannungen im Film erzeugen. Durch rasches Verdampfen werden diese Spannungen eingefroren. Genauer untersucht wurde auch der Einfluss der Löslichkeit (Quellung) von Polymeren in einem Lösungsmittel auf die Spannungen im aus dieser Lösung hergestellten Film. Hierbei wurde gezeigt, dass eine schlechtere Löslichkeit (geringere Quellung) zu höheren Spannungen im Film führt. Ein überraschendes Ergebnis war, dass diese Spannungen auch zu einem wesentlichen Teil unterhalb der Glastemperatur relaxieren können, obwohl bei solch niedrigen Temperaturen die Polymerketten nicht die Möglichkeit haben, sich als Ganzes zu bewegen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Temperaturabhängigkeit des Alterungsprozesses dieser Eigenspannungen unterhalb der Glastemperatur mit der Aktivierung von Segmentbewegungen in Beziehung gebracht werden kann. Wir konnten bestätigen, dass Bewegungen auf Segmentebene ausreichen, um Spannungen im Film teilweise abzubauen. Interessanterweise hat diese sicherlich unvollständige Relaxation bereits einen deutlich messbaren Einfluss auf makroskopische Eigenschaften, die wir mittels Entnetzungsexperimenten bestimmt haben. Es ist schwierig, mechanische Spannungen in dünnen Polymerfilmen zu messen. Unsere einfachen Entnetzungsexperimente erlauben es aber mit einem Lichtmikroskop und der Messung von Veränderungen auf makroskopischer Ebene, Rückschlüsse auf solche Spannungen innerhalb der Polymerfilme zu ziehen und deren Relaxationsverhalten zu bestimmen. Die Entnetzungsdynamik, besonders die Kinetik des Wulstaufbaus, wurde von unseren Kollaborationspartnern (Elie Raphael, Thoas Vilmin, Falko Ziebert) bereits theoretisch beschrieben. Deren theoretische Vorhersagen konnten wir experimentell beweisen, so dass wir zum Beispiel an Hand der Kinetik der Wulst (insbesondere der Höhe der Wulst) Spannungen im Film bestimmen können.
Publications
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Aging of Thin Polymer Films Cast from a Near‐Theta Solvent, Phys. Rev. Lett. 105, 227801 (2010)
Adam Raegan, Mithun Chowdhury, Christophe Calers, Alexander Schmatulla, Ullrich Steiner, and Günter Reiter
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Possible origin of thickness‐dependent deviations from bulk properties of thin polymer films J.Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 48, 2544‐2547 (2010)
Günter Reiter, Simone Napolitano
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Non‐equilibrium behavior of thin polymer films Phys. Rev. E 83, 021804 (2011)
Katherine R. Thomas, Alexis Chenneviere, Günter Reiter and Ullrich Steiner
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Segmental Relaxations have Macroscopic Consequences in Glassy Polymer Films, Phys. Rev. Lett. 109, 136102 (2012)
Mithun Chowdhury, Paul Freyberg, Falko Ziebert, Arnold C.‐M. Yang, Ullrich Steiner, and Günter Reiter
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Swelling with a Near‐Theta Solvent as a Means to Modify the Properties of Polymer Thin Films. Macromolecules 45, 6196−6200 (2012)
Andrew Clough, Mithun Chowdhury, Kaiwan Jahanshahi, Günter Reiter, Ophelia K.C. Tsui
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Probing Properties of Polymers in Thin Films via Dewetting. In: Advances in Polymer Science "Glass Transition, Dynamics and Heterogeneity of Polymer Thin Films", Ed. Toshiji Kanaya. Springer, ISBN 978‐3‐642‐34338‐4
Günter Reiter
