Dissipative Processes at Polymer Surfaces
Final Report Abstract
Das Reibungsverhalten zwischen Polymeroberflächen wurde auf molekularer als auch auf makroskopischer Skala studiert, um zugrundeliegende Mechanismen aufzuklären und um Reibung gezielt zu manipulieren. Für die systematische Untersuchung wurden Modellsysteme verwendet, bei denen beide Kontaktflächen mittels Polymerbürsten in definierter Weise funktionalisiert werden. Die Schichten hatten rms-Rauhigkeiten deutlich unter 1 nm, die ellipsomctrisch bestimmten Schichtdicken lagen zwischen 8 und 28 nm. Die Messungen wurden mittels SFM bei unterschiedlichen Krümmungsradien (SFM-Spitze, abgerundete Spitze und Colloidal-Probe-Geometrie) als auch mit einem Nanomechanischen Analysator (Nano Indenter® G200) im trockenen Zustand als auch bei gequollenen Proben bei Raumtemperatur unter verschiedenen Medien, unter verschiedener Belastung und Belastungsgeschwindigkeit untersucht. Untersuchungen bei erhöhten Temperaturen sind noch in Arbeit. Bei den mit dem Nanoindenter durchgeführten makroskopischen Kratzversuchen kam es immer zu Materialverschleiß, weswegen eine Messung „Bürste gegen Bürste" nicht möglich war. Die Ausbildung der Lateralkraft wurde durch ein Zusammenspiel von Adhäsions- und Deformationsprozessen bestimmt, die von Normalkraft und Geschwindigkeit abhängen. Molekulargewicht und Schichtdicke haben im untersuchten Bereich einen sehr geringen Einfluss. Verschiedene Polymere besitzen unterschiedliche Geschwindigkeits- und Normalkraftabhängigkeiten, die sich zum einen in unterschiedlicher Hydrophilie der Oberflächen und zum anderen in unterschiedlicher Struktur der Seitenketten wiederfinden. Mit dem AFM konnte gezeigt werden, dass bei geringen Kontaktflächen die Wechselwirkungen zwischen den Ketten eine entscheidende Rolle für plastische Deformation spielen. Gequollene Bürsten besitzen einen geringeren Reibungskoeffizienten als ungequollene Bürsten. Im gequollenen Zustand ist der Zusammenhang zwischen Lateral- und Normalkraft, sowohl von der Struktur der Ketten als auch von der Stärke der Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittelmolekülen und Polymerketten abhängig. Beim Vergleich von PtBPS und PS konnte gezeigt werden, dass je nach aufgebrachter Kraft entweder die Hauptketten- oder die Seitengruppendeformation dominant sein kann, je nach Mechanismus entstehen unterschiedliche Reibungskoeffizienten. Durch die Arbeit konnte ein erheblicher Wissenszuwachs über die methodischen Besonderheiten der Lateralkraftmessung auf verschiedenen Größenskalen gewonnen werden. Dieser soll in Zukunft die Grundlage für weitere Arbeiten aufdem Gebiet der Nanomechanik sein.
Publications
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Friction behaviour of polymer brushes at micro scale. Agilent nanoindentation user meeting; advances in nanoscale, Waldbronn, 11.- 12.11.09
David Nitsche, Konrad Schneider, Manfred Stamm
