Netzartig strukturierte Oberflächen aus präkeramischen Polymeren
Final Report Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Ursachen für die Strukturbildung ungefüllter und partikelgefüllter Beschichtungssysteme mit zwei nicht mischbaren präkeramischen Polymeren untersucht. Die Herstellung der zu untersuchenden Schichten erfolgte mittels eines Tauch- und vergleichend mittels eines Schleuderbeschichtungsprozesses. Für die Herstellung füllerfreier Schichten ist ein Lösungsmittel – in diesem Falle Methylethoxysilan – notwendig, das als Vermittler für beide Polymere wirkt. Während der Verdunstung des Lösungsmittels bilden sich aus einer Polymer/Polymer-Entmischung resultierende Entmischungsstrukturen aus. Die Entnetzung spielt in diesen Systemen eine untergeordnete Rolle, was durch die vollständige Bedeckung untersuchter Substrate mit einem Polymer gefunden wurde. Die Anwesenheit eines „schlechten“ Lösungsmittels (hier: Methanol) ist zwar nicht zwingend notwendig, führt aber bei seiner Anwesenheit zu deutlich homogeneren Schichten. Entmischungsstrukturen werden auf jeder Art von Substrat unabhängig vom Kontaktwinkel mit dem Beschichtungssystem und der Oberflächenenergie gebildet. Die Vorgänge bei der Strukturbildung in füllstoffhaltigen Systemen unterscheiden sich von denen ungefüllter Systeme. Dies wird vor allem auf die Benetzbarkeit der Füllstoffe und damit auf den Einfluss der Füllstoffe auf den Entmischungsvorgang zurückgeführt. Dabei spielt die Art und damit die oberflächenchemischen Eigenschaften des Füllstoffs eine wichtige Rolle. Hier wurde gefunden, dass nur solche Füllstoffe, deren Oberfläche sauer reagiert (Si, SiC, Si3N4), Entmischungsstrukturen ausbilden. Dieser Einfluss konnte nicht vollständig geklärt werden; es wird angenommen, dass die Art der Oberflächen-OH-Gruppen (Lewis-acide oder Brønsted-acide Zentren) dabei eine Rolle spielt. In gefüllten Systemen ist die Anwesenheit von Methanol zur Strukturbildung zwingend erforderlich. Der Kontaktwinkel der Suspension auf dem Substrat soll hierbei zwischen 20 ° und 34 ° liegen. Damit übt neben der Art der Füller die resultierende Oberflächenspannung einen deutlichen Einfluss auf die Strukturbildung aus. Aufgrund unserer Untersuchungen wird davon ausgegangen, dass im System Füllstoff-Methanol- Polymer die Benetzung des Füllstoffs durch das Polymer und die Entmischung des Methanols stattfindet. Die bei der Entmischung freiwerdenden Methanoltröpfchen führen zur Entstehung der Poren und durch Verschmelzen einzelner Tröpfchen zu deren Wachstum. Die Benetzung der Füllerpartikel mit Polymeren ermöglicht, dass sich die Partikel dabei bewegen. Mit dem Verdampfen des Methanols ist das Porenwachstum abgeschlossen. Die Mechanismen der Strukturbildung beruhen sowohl in ungefüllten Systemen als auch in gefüllten Systemen auf Entmischung. Es zeigen sich jedoch Unterschiede in den Zusammensetzungen bei den einzelnen Komponenten, was auf den Einfluss der Füller auf das Beschichtungssystem schließen ließ. Demnach ist die Benetzung der Füller eine Voraussetzung für die Entmischung in gefüllten Systemen, die auch für die Bewegung der Füller und deren Anordnung in den entsprechenden Mustern verantwortlich ist. Mit den hier gefundenen Abhängigkeiten ist es möglich, polymere Entmischungsstrukturen zu bilden, die zur Erhöhung der Oberfläche von beschichteten Strukturen beitragen können. Die Verwendung präkeramischer Polymere erlaubt darüber hinaus, diese Strukturen in keramische Strukturen zu konvertieren, die für eine Reihe von Anwendungen (als Substrat mit großer Oberfläche, als Substrat für die Beherbergung aktiver Komponenten) genutzt werden können. Die Ergebnisse sind übertragbar auf weitere Systeme.
Publications
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M. Woiton, M. Heyder, A. Laskowsky, E. Stern, M. Scheffler, C. J. Brabec, et al.
- Porous Polymer Derived Ceramic Surface Layers from Demixing Processes, 36th International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites, Daytona Beach, USA, 2012
M. Woiton, M. Heyder, A. Laskowsky, E. Stern, M. Scheffler, C. J. Brabec
