Deformation und Restrukturierung von Mizellen an Grenzfllächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde der Einfluss von Grenzflächen auf die Bildung von Mizellen in Polymerlösungen und die Ausformung von Schichtstrukturen an Grenzflächen untersucht. Ein wesentlicher Parameter ist die Oberflächenenergie, die über den Kontaktwinkel charakterisiert wird. Als Probensystem wurden v. a. verdünnte wässrige Polymerlösungen des Polyethers Pluronic P123 [PEO20PPO70PEO20] verwandt. Zu Beginn wurde die Mizellenbildung von P123 im Volumen mittels Röntgenkleinwinkelstreuung bestimmt. Dabei zeigte sich bei Temperaturerhöhung zunächst ein Wachsen der Mizellen gefolgt von einer morphologischen Umformung von kugelförmigen in stäbchenförmige Mizellen. Als wesentliche Ursache hierfür ist die sich reduzierende Dichte des PPO-Mizellenkerns auf Grund von Konformationsänderungen anzusehen, während die PEO-Schale weitgehend temperaturunabhängig ist. Ausgehend von hohen Temperaturen (64°C) tritt beim Abkühlen der Lösung eine ausgeprägte strukturelle Hysterese auf. Ein ähnliches Verhalten wurde früher von uns für einen fcc-hcp Phasenübergang in hochkonzentrierten Lösungen beobachtet. Die Morphologieänderung der Mizellen bei niedrigen Polymerkonzentrationen konnte mit dem Phasendiagramm bei hohen Konzentrationen korreliert werden. Wir konnten zeigen, dass sich Polymergrenzschichten bei stark hydrophil terminierten Oberflächen ausbilden, während bei einer hydrophoben Terminierung keine Anlagerung auftritt. Die Ausprägung der Polymerlagen an der Grenzfläche steigt mit der Hydrophilie der Grenzfläche und nimmt mit steigender Temperatur ein prononcierteres Verhalten an, selbst unter Bedingungen, bei denen es im Volumen zu keinerlei Unimerverbünden kommt. Qualitativ hochwertige hydrophile Oberflächen lassen sich zuverlässig durch sich selbstorganisierende Monolagen aus organischen Molekülen herstellen. Bei OTS Beschichtungen auf Si lagen die Kontaktwinkel von Wasser reproduzierbar zwischen 105° und 107°C. Die oberflächeninduzierte Bildung der Polymerschicht weist eine komplexe strukturelle Abfolge auf, die auch die morphologische Umwandlung der Mizellen von Kugeln zu Stäbchen einschließt. Bei stark hydrophilen Terminierungen finden wir bei hochverdünnten Lösungen wiederum eine strukturelle Hysterese der Grenzflächenschicht, die an den fcc-hcp Übergang im Volumen bei hohen Konzentrationen erinnert. Die Lagenstruktur aus Mizellen wird durch Scherung zerstört. Nach dem Abschalten der Scherung baut sich reproduzierbar wieder eine neue Schichtstruktur mit einer sigmoidalen Zeitstruktur auf, der eine langsame initiale Bedeckung der Oberfläche zu Grunde liegt, die dann ihrerseits eine beschleunigte Ausbildung und Anlagerung weiterer Mizellen initiiert. Die relevanten Zeitkonstanten sind empfindlich auf Temperatur, Polymerkonzentration und Scherrate.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Nanoscale structures and dynamics of a boundary liquid layer, Journal of Physics: Condensed Matter 23 (2011), S. 324102
M. Walz, S. Gerth, P. Falus, M. Klimczak, T. H. Metzger und A. Magerl
- Near Surface Crystallization of Pluronic P123, Journal of Physics: Conference Series 340 (2012), Nr. 1, S. 012088
S. Gerth, M. Klimczak, A. Nelson und A. Magerl
