Fließkinetik und Kettendynamik von Polymeren in hochorientierten, nanoporösen Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Stühn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 166631820

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es, zum Verständnis der Füllkinetik von Polymeren in Nanoporen beizutragen. Dazu sollten insbesondere zeitaufgelöste Experimente mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) eingesetzt werden. Als wohldefiniertes Modellsystem wurden hochorientierte, ionenspurgeätzte Polycarbonatfolien mit streng parallelen Nanoporen verwendet. Die Poren werden durch Ionenbeschuß von Polycarbonatfolien und anschließendes Ätzen erhalten. Die Anordnung der Poren in der Filmebene ist somit zufällig. Polymere mit unterschiedlichem Fließverhalten sowie Molekulargewicht wurden verwendet. Es zeigte sich, dass die Fließkinetik der Polymere in zylindrischen Nanostrukturen näherungsweise mit dem Lucas-Washburn Gesetz beschrieben werden kann. Es werden jedoch Füllzeiten beobachtet, die deutlich oberhalb der theoretisch erwarteten Werte liegen. Die anfängliche Vermutung, dass sich hier ein Effekt des Confinement zeigt, konnte durch systematische Untersuchungen an Polydimethylsiloxanen in unterschiedlichen Porengrößen und Molekulargewichten nicht bestätigt werden. Insbesondere konnte keine klare Abhängigkeit des Fließverhaltens von den äußeren Parametern gefunden werden. Offenbar erzeugt der Ätzprozess Porenoberflächen, die in nicht kontrollierbarer Weise variieren. Durch das Belichten mit UV und das Freiätzen der Durchschusskanäle werden Oberflächen erzeugt, an denen sich Rückstände befinden, die die Fließkinetik beeinträchtigen. Deshalb wurde eine Möglichkeit gesucht, die Porenwände in definierter Weise zu modifizieren. Hierzu wurde Atomic Layer Deposition (ALD) eingesetzt. Die Porenwände konnten mit Siliziumdioxid in Schichtdicken von 5 bis 20 nm beschichtet werden. Die Dicke und Homogenität der Schichten wurde mit SAXS bestimmt. Messungen mit dem so modifizierten System lassen auf eine systematische Änderung der Füllzeit mit der Variation des Porenradius schließen. Diese Ergebnisse stehen ebenfalls im Einklang mit dem Lucas-Washburn Gesetz.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2010) In situ small angle X-ray scattering measurements of the filling process of polyisobutylene and poly-ε-caprolactone in ion track etched polycarbonate nanopores; The Journal of chemical physics 132 (22) 224502
  M. Engel and B. Stühn
  
• (2013) Imbibition of polystyrene melts in aligned carbon nanotube arrays; Journal of Applied Physics ,113 (7) 074305
  M. Khaneft, B. Stühn, J.Engstler, H. Tempel, J.J. Schneider, T. Pirzer, T. Hugel
  
• (2013) Tailored nanochannels of nearly cylindrical geometry analysed by small angle X-ray scattering; Applied Physics A, 114 (2) 387-392
  B. Kuttich, M. Engel, C. Trautmann, B. Stühn
  
• Conformal SiO2 coating of sub-100 nm diameter channels of polycarbonate etched ion-track channels by atomic layer deposition; Beilstein J Nanotechnol. 2015; 6: 472–479
  N. Sobel, C. Hess, M. Lukas, A. Spende, B. Stühn, M. Toimil-Molares, C. Trautmann