ARBEITSGRUPPE KOLLOIDE UND GRENZFLÄCHEN

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1 ARBEITSGRUPPE KOLLOIDE UND GRENZFLÄCHEN AM INSTITUT FÜR KERAMIK, GLAS- UND BAUSTOFFTECHNIK DER TU BERGAKADEMIE FREIBERG GEFÖRDERT VON DER MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT Chemnitzer Straße 40, D Freiberg/Sachsen Telefon Telefax / / Jahresbericht 2002 I. Berichte Zerreißen von Benetzungsfilmen durch Nano-Blasen (Nukelationsmechnismus) Stöckelhuber, K. W., Radoev, B. In den letzten Jahren konnte von uns gezeigt werden, dass das Zerreißen von dünnen wässrigen Benetzungsfilmen im Modellsystem hydrophobierte Silica-Oberfläche / Wasser / Luft, in dem alle DLVO-Wechselwirkungskräfte repulsiv sind, durch den Nukleationsmechanismus bewirkt wird. Hierfür sind mit höchster Wahrscheinlichkeit, kleinste Gasblasen mit Abmessungen im Nanometermaßstab verantwortlich, welche den hydrophoben Oberflächen unter Wasser anhaften. Bei der Verdünnung des Benetzungsfilmes bildet sich vor dem Zerreißen des Films eine wässrige Schaumfilmlamelle zwischen Gasblase und Flüssigkeitsoberfläche aus. Die Kraftbilanz, die in diesem Schaumfilm wirkt, und die Deformation der Flüssigkeitsoberfläche, welche durch die an der Festkörperoberfläche anhaftenden Gasbläschen hervorgerufen wird, wurden ausführlich theoretisch analysiert. Aus diesen theoretischen Überlegungen kann man schließen, dass die kritische Zerreißdicke des Benetzungsfilmes ungefähr der Scheitelhöhe der größten Nanogasblase entspricht. Setzt man der Elektrolytlösung, die den Benetzungsfilm bildet, oberflächenaktive Substanzen zu, so wird der Schaumfilm elektrostatisch stabilisiert. Dies äußert sich experimentell in einer stark verlängerten Lebensdauer des Benetzungsfilmes, so wird z. B. die Lebensdauer eines Benetzungsfilms auf methyliertem Glas (Randwinkel 90 ) um den Faktor 100 verlängert; Filme auf weniger hydrophoben Substraten bleiben langzeitstabil.

2 2 Das Zerreißen dünner wässriger Benetzungsfilme unter der Wirkung attraktiver DLVO-Kräfte: Kapillarwellenmechanismus Stöckelhuber, K. W., Wenger, A., Schulze, H. J. Die Modifikation eines Dreiphasensystems fest / flüssig / gasförmig durch Zusatz von dreiwertigen Kationen (hier: Al 3+ -Ionen) im Elektrolyten führt zur Veränderung des Oberflächenpotentials hin zu positiven Werten. Daraus resultiert eine attraktive elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Grenzflächen des Benetzungsfilms. Das Zerreißverhalten dieser Filme unterscheidet sich grundlegend von dem solcher Filme, zwischen deren Grenzflächen keine anziehenden DLVO-Kräfte wirken. Eine Alternative zur Variation des Elektrolyten stellt sich in der Untersuchung von Oberflächen, die unter einfach zugänglichen ph-bedingungen ein positives Oberflächenpotential aufweisen. Dies ist bei der Oberfläche von TiO 2 - (als Rutil-Modifikation) beschichteten Glasplättchen der Fall, sofern in saurem Milieu (d. h. ph < 7) gearbeitet wird. Sowohl bei den Untersuchungen mit Al 3+ -haltigem Elektrolyten als auch der TiO 2 - Oberflächen folgt das Ausfließen der Filme und ihre Zerreißdicken der Reynolds-Gleichung unter Einbeziehung der jeweils wirkenden attraktiven elektrostatischen Wechselwirkung. Es wurde ein Zerreißverhalten beobachtet, das mit dem Kapillarwellenmechanismus erklärt werden kann. Es bilden sich viele Löcher im Film gleichzeitig, deren Abstände voneinander gemessen wurden und die genau den kritischen Wellenlängen der Kapillarwellen entsprechen, welche durch die Anwendung der Theorie von Scheludko auf die beiden Systeme erhalten werden. Die Erhöhung des ph-wertes des Elektrolyten ins basische Milieu verschiebt das System jenseits des IEP (Isoelektrischer Punkt; bei ph 6,2 4,1) der TiO 2 -Oberfläche. In diesem ph- Bereich wirken dann keine attraktiven elektrostatischen Kräfte. Die Untersuchungen zeigten dementsprechend stabile Benetzungsfilme mit Gleichgewichtsdicken, die genau den aus der DLVO-Theorie errechneten Werten entsprachen.

3 3 Analyse und Modellierung der Haftungsmechanismen bei der Beschichtung und Verklebung von Papierwerkstoffen Stöckelhuber, K. W., Pristavok, R., Schulze H. J. Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, die bei vielen Papierverarbeitungs- und Veredlungsvorgängen stattfindenden Benetzungs- und Haftungsmechanismen zwischen unterschiedlichen Trägermaterialien und Veredlungsmedien zu untersuchen und über die gezielte Analyse, Messung und Bewertung von praxisrelevanten Modellsystemen einen entscheidenden Beitrag für das grundlegende Verständnis der Vorgänge zu leisten. Dabei sind die derzeitig angewandten Theorien und Messmethoden zur Oberflächenenergiebestimmung durch die Einbeziehung moderner optischer Beobachtungs- und Aufzeichnungsverfahren hinsichtlich ihrer Aussagefähigkeit zu bewerten und gegebenenfalls zu modifizieren, um so industriellen Anwendern fundierte Mess- und Steuermöglichkeiten für Be-schichtungs- und Verklebungsvorgänge an die Hand zu geben. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die zu entwickelnden Theorien sind auf industrielle Systeme zu übertragen und anhand messbarer, makroskopischer Verbundfestigkeiten zu überprüfen. Die Dicke struktureller Barrieren um Siliziumdioxidteilchen Stechemesser, H., Lichtenfeld, H. Ziel: Ursachenermittlung der außergewöhnlichen, nach der DLVO-Theorie unerwartet hohen Stabilität von SiO 2 -Dispersionen am isoelektrischen Punkt. Ergebnisse: Die bisherigen Untersuchungen zum Stabilitätsverhalten von Silica-Dispersionen führten zu der Annahme, dass nicht nur van der Waals-Kräfte zwischen den Teilchen, sondern auch langreichende, abstoßende Nicht-DLVO-Kräfte, möglicherweise Hydrationskräfte, wirksam sein müssen. Insbesondere am isoelektrischen Punkt wirken diese abstoßenden Hydrationskräfte systemstabilisierend. Es bildet sich auf den Teilchen eine immobile Schicht, deren Dicke von uns zwischen 1 bis 2 nm berechnet -, die Tiefe des ersten Minimums und damit die Stabilität des Systems kontrolliert. Mit zunehmender Elektrolytkonzentration verringerte sich die Schichtdicke und damit der Einfluss der Hydrationskräfte. Das System wird instabiler. Die von Derjaguin und Churaev berechnete Teilchengrößenabhängigkeit des Stabilitätsverhaltens konnte von uns bisher experimentell nicht bestätigt werden. Die Untersuchungen über die Variation der Schichtdicke in Abhängigkeit vom ph-wert und der Teilchengröße werden fortgeführt. Insbesondere die ph-wert-abhängigkeit soll dazu dienen,

4 4 unser 3-parametriges System der Wechselwirkungskräfte, gebildet aus der Schichtdicke, der Zerfallslänge der weitreichenden Abstoßungskräfte und deren energetischen Schwellenwert exakt lösen zu können. II. Veröffentlichungen A. Publikationen 1. Schulze, H. J., Stability and Rupture of thin aqueous films and Flotation, Flotation & Flocculation from fundamentals to application Strategic Conference and Workshop, Kailua-Kona, Hawaii, Radoeva, M., Radoev, B., Stöckelhuber, K. W., Effect of Deposition Inhomogeneity on the Ohm Resistance of Thin Electroless Copper Layers, Journal of Material Science, submitted (2002). B. Vorträge 1. Wenger, A., Stöckelhuber, K. W., Schulze, H. J., Das Zerreißen wässriger Benetzungsfilme durch Nukleation und Kapillarwellen, Weiterbildungsveranstaltung des SFB 285 Partikelwechselwirkung, Rathen, Wenger, A., Das Zerreißen wässriger Benetzungsfilme durch Nukleation und Kapillarwellen 6. Nachwuchstage der Kolloid- und Grenzflächenforschung, Technische Universität Berlin, Stöckelhuber, K.W. und Schulze H. J., Forschungsarbeiten an der Max-Planck-Arbeitsgruppe Kolloide und Grenzflächen, Arbeitstagung der Freiberger Silikattechniker, Schulze, H. J., Mikro-Prozesse in der Schaumschicht, Voith Paper, Ravensburg, III. Gastwissenschaftler und Vorträge

5 5 Gastwissenschaftler Evstatieva, E., Dr. Tsekov, R., Universität Sofia, Sonderprogramm der Alexander von Humboldt-Stiftung; Stabilitätspakt für Südosteuropa Prof. Radoev, B., Universität Sofia, Sonderforschungsbereich 285, Vortragsveranstaltungen 1. Nitsch, W., Lehrstuhl für Technische Chemie I, TU München Mono- und LB-Schichten von Polymeren, (zusammen mit dem Institut für Polymerforschung Dresden), IV. Nationale und internationale Kooperationen 1. Technische Universität München, Lehrstuhl für Technische Chemie I, Prof. W. Nitsch, Dr. T. Michel. 2. Institut für Polymerforschung IPF, Dresden, Dr. K. Grundke, Dr. F. Simon. 3. Universität Regensburg, Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik, Prof. H.-H. Kohler. 4. Max-Planck-Institut für Kolloide und Grenzflächenforschung, Golm, Dr. R. Miller. 5. University of South Australia, Adelaide, Australien, Ian Wark Research Institute, Prof. J. Ralston. 6. University of New South Wales, Newcastle, Australien, Dr. A. Nguyen Van. 7. University of Cape Town, Kapstadt, Südafrika, Prof. C. O Connor, Dr. D. Bradshaw, Dr. D. Deglon. 8. Universität Sofia, Bulgarien, Fakultät Chemie, Prof. B. Radoev, Gastwissenschaftler im SFB Papiertechnische Stiftung PTS München und Heidenau. 10. Schill und Seilacher AG, Böblingen. Saxol Chemie, Pirna. 11. JOWAT Lobers und Frank AG, Detmold.

6 6 VI. Finanzierungen: 1. Max-Planck-Gesellschaft Dr. sc. nat. H. J. Schulze 2. Deutsche Forschungsgemeinschaft, SFB 285 Partikelwechselwirkung Dr. K. W. Stöckelhuber Dipl.-Chem. A. Wenger Prof. B. Radoev (Sofia), Gastwissenschaftler 3. Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Förder-Nummer 03C0346A, Förderschwerpunkt: Grenzflächenhaftung in technischen Systemen Dipl.-Ing. R. Pristavok 4. Deutsche Forschungsgemeinschaft, SSP 1062 Handhabung hochdisperser Pulver Dr. H. Lichtenfeld