Abscheidung ultradünner funktionalgruppentragender Polymerschichten auf Metalloberflächen mittels Elektrospray Ionisation

Abstract

Funktionalisierte Oberflächen sind in vielen Bereichen, z. B. als Haftvermittler in Polymerkompositen, für katalytische Anwendungen oder als Sensoren von Interesse. Für viele solcher Anwendungen ist es ausreichend, den verwendeten Werkstoff mit einem ultradünnen Polymerfilm zu überziehen. Dazu gibt es bislang einige Verfahren, wie z. B. Chemical Vapour Deposition, Layer- by-Layer-Technik, Langmuir-Blodgett-Technik oder Spin-Coating, die alle bestimmte Nachteile haben. In der vorliegenden Arbeit wurden wenige Nanometer dicke Polymerschichten auf metallischen und nicht-metallischen Substraten mittels Elektrospray Ionisation abgeschieden. So wurden typischerweise etwa 10 nm dicke Schichten von Polyacrylsäure (PAA) hergestellt. Die analytische Charakterisierung der produzierten Schichten erfolgte mit der Röntgen- Photoelektronenspektroskopie. Die Atomkraft- bzw. Rasterelektronen-mikroskopie gaben Auskunft über den Bedeckungsgrad und die Schichtmorphologie. Die Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie wurde zur Bestimmung des Restlösemittelgehaltes verwendet. Zur Optimierung der Schichtabscheidung und -struktur wurden verschiedene Parameter variiert, wie z. B. der Kapillaren- Proben-Abstand, die Beschichtungszeit oder die Beschichtungstemperatur, wobei sich herausstellte, dass die Schichtbildungsparameter für jedes Polymer individuell angepasst werden müssen. Es konnte gezeigt werden, dass Beschichtungen, bei denen sich das Substrat senkrecht zur Kapillare befindet, bei Raumtemperatur mit einem Kapillaren-Proben-Abstand von mindestens 100 mm zu lösemittelfreien PAA-Schichten führen. Dabei war die Ausbildung der Filmtopographie unabhängig sowohl von der Konzentration der Lösung als auch von der Oberflächenenergie des Substrates.

Functionalized surfaces are of interest in plenty of technical fields, e.g. used as adhesion promoter for polymer composites, in catalytic applications or as sensors. For lots of these applications it is sufficient to cover the used materials with an ultra thin polymer film. All existing methods, e. g. chemical vapour pressure, layer-by-layer-technique, Langmuir-Blodgett technique or spin coating have disadvantages. The following work presents the deposition of few nanometer scale polymer layers on metallic and non-metal substrates by electrospray ionization. Most experiments were performed with poly(acrylic acid) (PAA). Layers of about 10 nm were deposited. The coverage and the morphology of the produced layers were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force spectroscopy and scanning electron microscopy. The residual amount of solvent within the deposited layers was identified by infrared reflection absorption spectroscopy. Optimisation of the layer deposition was performed by varying the process parameters, e. g. distance to the sample, deposition time or deposition temperature. Based on the knowledge acquired in the experiments it was realized that the deposition parameters have to be found individually for each single polymer. It could be shown that depositions at room temperature with capillary-sample- distances higher than 100 mm, where the sample is placed vertical to the capillary, produce solvent free PAA layers. The film topography was independent of the concentration of the polymer solution and of the substrate surface energy.