Untersuchung des adaptiven Benetzungsverhalten von quellbaren Poly-N-isopropylacrylamid Bürsten auf planaren Oberflächen
Mit der Erforschung und Entwicklung von miniaturisierten Technologien wird die steuerbare Benetzbarkeit von Oberflächen für mikrofluidische Module sowie in der medizinischen Diagnostik im Piko- bis Mikroliterbereich immer zunehmend an Bedeutung. Insbesondere der Einsatz von stimuli-responsiven Polym...
| Summary: | Mit der Erforschung und Entwicklung von miniaturisierten Technologien wird die steuerbare Benetzbarkeit von Oberflächen für mikrofluidische Module sowie in der medizinischen Diagnostik im Piko- bis Mikroliterbereich immer zunehmend an Bedeutung. Insbesondere der Einsatz von stimuli-responsiven Polymerbürsten, mit mit ihren ungewöhnlichen Verhaltensmustern und Systemen, deren Eigenschaften durch strukturelle Modifikation (Bürste/Netzwerk) modifiziert werden können oder durch zusätzliche chemische Variation zu multirespondiven Systemen modifiziert werden, sind von für die Erzeugung von Gradientenoberflächen interessant. Zu Beginn dieser Arbeit war der Einfluss von Quellungsphänomenen durch Lösungsmittel und deren Dampfphase auf die dynamische Benetzung von flexiblen, adaptiven und schaltbaren quellfähigen Polymersystemen, wie z. B. Poly-N-Isopropylacrylamid-Bürsten/Netzwerken weitgehend unbekannt.
Zu diesem Zweck wurden concentrated Polymerbürsten mit maximaler Molmasse durch oberflächeninitiierte Atomtransfer-Radikalpolymerisation mittels grafting-from hergestellt. Diese zeigten eine starke Grundstreckung der Polymerketten von 40 % der Konturlänge. Das betrachtete System zeigte keinen kausalen Zusammenhang zwischen dem Grad der Quellung bzw. des Benetzungsverhaltens und der molaren Masse der gebundenen Polymerketten, wenn die relative Feuchte und die Schichtdicke variiert wurden. Durch die Abnahme des Wasserdampfdiffusionswiderstandes mit zunehmender relativer Feuchte bei hydrophilen Polymeren wurde absolut betrachtet eine molmassenabhängige Wasserinkorporation mit zunehmender rel. Luftfeuchtigkeit beobachtet. Das Verhältnis von aufgenommenem Wasser zu Polymersegment bleibt jedoch mit zunehmender Molmasse konstant. Vergleicht man die Sorptionsisotherme eines organischen Polymers mit den betrachteten PNIPAm-Bürsten zeigt sich, dass im Falle der vorliegenden concentrated PNIPAm-Bürsten ein maximaler Quellgrad von 1,2 bei durchschnittlich 47% (90% rF) Streckung der Bürste durch Luftfeuchtequellung nicht überschritten werden kann, während unter Lösemitteleinfluss eine Streckung von 65% beobachtet wurde. Das Benetzungsverhalten der Dreiphasen-Kontaktlinie und der zugehörige Radius eines liegenden Tropfens als Funktion der Zeit bei verschiedenen relativen Luftfeuchten zeigte im Vergleich zum unbeschichteten Referenzsubstrat ein hochdynamisches Verhalten auf PNIPAm-beschichteten Substraten in allen Benetzungsprofilen. Die finiten Tropfenradien werden bei gleichem Tropfenvolumen mit deutlicher Verzögerung erreicht und zeigen somit ein deutlich langsameres
Ausbreitungsverhalten unabhängig von der relativen Feuchte. Entgegen der Vermutung stellte sich heraus, dass das Tannersche Gesetz nicht gilt und die deutlich langsamere Ausbreitung nicht ausschließlich durch den Gleichgewichtszustand der relativen Feuchte beschrieben werden kann.
In diesem Zusammenhang zeigten numerische Näherungen der experimentell ermittelten Kapillarzahl als Funktion des Kontaktwinkels, dass der langsamere Ausbreitungsprozess durch die zusätzlich zu den Kapillarkräften wirkenden Imbibitions-/Quellkräfte bestimmt wird, welche
zusätzlich zum Kapillardruck wirken. Messungen im quasistationären Zustand bestätigten die die Vermutung des Einflusses von Quellkräften und Imbibitionsvorgängen durch die Beobachtung von mit PNIPAm-Bürsten beschichteten Kapillaren, welche deutlich geringere Kapillarkräfte aufwiesen als erwartet. Weiter zeigte sich ein sich farblich abhebender Bereich jenseits der Dreiphasen-Kontaktlinie um den applizierten Tropfen. Die Untersuchung des beobachteten farbigen Bereichs jenseits der Dreiphasen-Kontaktlinie zeigte, dass es sich hier ein durch Imbibitonsprozesse ausgebindeten Vorläuferfilm handelt. Die Polymerbürsten in der Nähe des Tropfens an der Dreiphasengrenze wiesen dagegen eine Dehnung in entgegengesetzter der Entropie auf und postulieren eine Brücke zur flüssig-gas-Granzfläche des Tropfens, welche auf den von Cohen-Stuart et al. beschriebenen Brückenmachanismus hinweisen. |
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