Analytik von Polymeroberflächen und dünnen Schichten am Fraunhofer IAP. Andreas Holländer

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1 Analytik von Polymeroberflächen und dünnen Schichten am Fraunhofer IAP Andreas Holländer

2 Joseph von Fraunhofer ( ) Fraunhofer society in Germany Potsdam 80 facilities (60 institutes) empl. budget: 1.66 *10 9 Seite 2

3 Forschungsbereiche Biopolymere Dr. Waltraud Vorwerg Biopolymere (ellulose, Stärke, Lignin), Biobasierte Kunststoffe (PLA, PHA, PA) Synthese- und Polymertechnik Dr. Mathias Hahn Heterokettenpolymere Polyester: PET erdölbasiert PLA biobasiert Funktionale Polymersysteme Dr. Armin Wedel Polymere LEDs, Sensoren, hromogene Polymere, berflächen Wasserbasierende Polymersysteme Prof. Dr. André Laschewsky Wasserlösliche Polymere, Hydrogele Polymerdispersionen,»Intelligente Materialien«Pilotanlagenzentrum Schkopau Prof. Dr. Michael Bartke Polymersynthese und -verarbeitung, Aufskalierung: Tonnenmaßstab Seite 3

4 Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung 158 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter ca. 12,8 Mio Euro BHH 2010 ca. 9,5 Mio Euro externe Erträge davon 4,3 Mio Euro Wirtschaftserträge Seite 4

5 berflächen- und Dünnschichtanalytik

6 Surface Analysis at the Fraunhofer IAP bulk-like: 1000 nm ATR-IR, Microscopy morphology, topography molecular orientation 100 nm EM, AFM, Ellipsometry EM, AFM 10 nm elements and functional groups XPS, ontact angle goniometry, fluorescence labelling, IRRAS 1 nm Seite 6

7 TEM (Transmissions-EM) Faserpräparation: nach Einbetten, Ultramikrotom : - Ablösen des Einbettungsmittels - Schrägbedampfung Beispiel: Querschnitt Viscosefaser Kern-Schale-Struktur - Kern mit Poren (10 20 nm) - Schale ohne Poren = dichtere Struktur Seite 7

8 REM (Raster-EM) Präparation trockener Proben: Kryo-Bruch berfläche Wachstumsmorphologie Naturfaser Fibrillierung Viscosefaser und schlechte Faser-Matrix- Haftung in omposite Schicht auf Hanffaser Seite 8

9 REM T (ryo-transfer) Initialfeuchte Proben im eingefrorenen Zustand Präparation: Kryo-Bruch Sublimation bei -95, 2 min Transfer ins REM bei -160 Fliesenkleber: Porenbildung durch Methylcellulose Porenwände mit ellulosehaut ausgekleidet (Nachweis mit EDX, Röntgenmikroanalyse) Zement-Kristallite durchwachsen Haut Seite 9

10 ontact angle water drops on polyethylene with oxidation gardient results surface energy, surface polarity acid base properties quality of a treatment contaminations q Seite 10

11 Analysis of contaminations - XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy 1s 1s PE Teflon on surface PP F1s Silicone on surface 1s Si2s Si2p thickness: ca. 1 nm Bindungsenergie [ev] Seite 11

12 Adsorbate layers, removal gold surface 80 nm on glass element concentrations from XPS (x-ray photoelectron spectroscopy, ~10 nm, 10-7 Pa) Au N stored in air min KH/ H 2 2, min US min US, 1 min 2 plasma min 5 kev Ar ions US: ultrasound in ethanol 2 plasma: RF 20 W/ l after treatment transfer into XPS via atmosphere, except for the Ar ion treatment Seite 12

13 thickness [nm] Adsorbate, tenside on steel and glass adsorbed layer thickness, estimated from XPS data stored in air (0) tenside solution, flushed with water (+ tenside) repeatedly thoroughly flushed with water (flushed 1 & 2) tenside + steel glass tenside flushed 1 flushed 2 Seite 13

14 Metallization of plastics Ni on ABS, scotch tape test r(vi)-free treatment: excimer-based oxidation possibly chemical activation Pd activation reduction electroless Ni or u plating electrolytic u plating Ni/u on ABS Ni/u on scotch tape test: K 90 peel test, e.g.: ABS: 1 N/mm : 0.5 N/mm Seite 14

15 PI-u, Vorbehandlungen 1s-XPS Verbund frisch getrennt Metallseite u PI-Seite u PI Ammoniak-VUV Luft-VUV N 2 /H 2 -Plasma BE, ev Seite 15

16 Ni plating, growing metal film Ni2p-XPS Ni Ni2P Ni NiH2 NiS4 Niacac2 VUV+60 s Ni 60 s Ni VUV+480 s Ni binding energy [ev] Seite 16

17 Homogenität einer Beschichtung Analyse an 10 Stellen 1s Mittelwert (rot) Fehlerbalken (schwarz) größte Abweichung (grün) 1s Bindungsenergie [ev] Bindungsenergie [ev] Seite 17

18 XPS - Mikrospot 30 mm Im Dienst der Kriminalistik Was ist oben? Unterschrift oder gedruckte Linie Messpunkte im Abstand von 0,1 mm Papier Druck Schrift Seite 18

19 Surface analysis of polymers after activation PET poly(ethylene terephthalate) activation reactivity ~ 1 selectivity -= (-) 3 -- = H 2 - H 2 -, -H n chemically heterogeneous surface p plasma treatment binding energy [ev] Seite 19

20 Derivatization - Labelling principle coupling of functional molecules on a certain type of functional group Seite 20

21 TFAA derivatization H H H H H H H + (F 3 ) 2 F 3 H H H F 3 F 3 F 3 PVA BE calibration with PE BE(F 3 ) = ev - (PE) binding energy [ev] Seite 21

22 H TFAA derivatization BE(F 3 ) = f(structure) density of groups -H, -NH 2 PVA F 3 F 3 PHEMA PVB PAAm H NH BE [ev] F 3 Seite 22

23 Netzwerkstruktur NH 2 NH 2 NH 2 NH 2 NH 2 PE/ H 2 N NH 2 n Seite 23

24 Determination of network parameters - H 2 N NH 2 n H/NH = 1.9 branch: 230 nm BE [ev] Seite 24

25 XPS and fluorescence labelling 1s (90,9 %) 2 -plasma treated PE N NH 2 reaction with diaminoethan (DAE) 1s (7,4 %) N1s (1,7 %) binding energy [ev] reaction with DAE and fluram N N reaction with dansylhydrazin NHN 2 S H 3 N H wave length [nm] Seite 25

26 weitere Informationen Fraunhofer IAP Analytik berflächentechnik Seite 26