Untersuchungen zur plasmagestützten Stickstofffunktionalisierung von Polymeroberflächen mit Hilfe von Effluenten dielektrisch behinderter Entladungen ("NitroPol")

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Klages
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469852941

Die plasmagestützte Stickstofffunktionalisierung von Polymeroberflächen hat in letzter Zeit viel Interesse gefunden zum Zweck der Haftungsverbesserung in Kompositmaterialien, für die Kunststoffmetallisierung oder für biomedizinische Anwendungen, um die wichtigsten Beispiele zu nennen. Im Plasma stickstofffunktionalisierte Polymeroberflächen unterscheiden sich von plasmaoxidierten durch ihre Basizität und Nukleophilie, während sauerstofffunktionalisierte Oberflächen gewöhnlich sauer und elektrophil sind. Trotz der Bedeutung N-funktionalisierter Oberflächen ist der Kenntnisstand hinsichtlich der Grundlagen der Plasmabehandlung von Polymeren in N-haltigen Plasmen viel weniger weit entwickelt als derjenige zur Behandlung in Luft- oder O2-Plasmen. Im beantragten Vorhaben sollen dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) in N2 bei Atmosphärendruck hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit Polyolefinoberflächen und mit Modellverbindungen untersucht werden. In erster Linie werden diese Untersuchungen mit den Effluenten von N2-DBE durchgeführt, die dabei als Quelle derjenigen Gasphasenspezies dienen, die vermutlich die dominierende Rolle bei der Oberflächenmodifizierung spielen. Das Projekt zielt auf die Identifizierung der Produkte dieser Wechselwirkung, d. h., die auf der Polymeroberfläche gebildeten funktionellen Gruppen, sowie auf Mechanismus und Kinetik der Produktbildung, basierend auf den Dichten der hauptsächlich involvierten Gasphasenspezies: N-Atome im Grund- sowie im angeregten, metastabilen Zustand (N(4S) und N(2P)) und angeregte, metastabile Moleküle (N2(A)). Diese Dichten können mit ausreichender Genauigkeit durch die Kombination von optischer Emissionsspektroskopie mit chemisch-kinetischen Berechnungen bestimmt werden. Für die Oberflächenanalytik werden Infrarotspektroskopie im ATR-Modus (gedämpfte Totalreflexion) und im Immersions-Reflexions-Absorptions-Modus sowie Röntgen-Photoelektronenspektroskopie eingesetzt. Zur Klassifizierung und Quantifizierung funktioneller Gruppen werden Derivatisierungsmethoden verwendet, labile Gruppen durch geeignete Reagenzien abgefangen. Experimente mit Modellalkanen werden zusätzlich durch Gaschromatographie, gekoppelt mit hochauflösender Massenspektroskopie, ausgewertet. Wissenschaftliche Fragstellungen sind: (1) Wie ist die chemische Natur der stickstofffunktionalisierten Oberflächen; welche funktionellen Gruppen sind vorhanden? (2) Welche Gasphasenspezies sind verantwortlich für die Bildung dieser Gruppen; lässt sich ein plausibler Reaktionspfad angeben? (3) Wie hängt die Rate der Produktbildung von den Dichten verantwortlicher N-Spezies ab; lassen sich Ratengleichungen formulieren? Aus der praktischen Sicht der plasmagestützten Oberflächentechnologie wird der Nutzen des Projekts darin bestehen, eine genaue Angabe von Prozessparametern zu liefern die es erlauben, Polyolefinoberflächen mit kontrollierten Dichten definierter stickstofffunktioneller Gruppen zu versehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen