Untersuchungen zur Haftung von Epoxidharzen auf plasmabehandelten Silikonen

J. Roth, V. Albrecht, M. Nitschke, S. Michel, C. Bellmann, F. Simon, K. Grundke;

Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.

- Einleitung/ Zielsetzung

- Plasmagestützte Methoden zur Verbesserung der Haftfestigkeit

- Oberflächenanalytik

- Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung

⇒ Verbesserung der Haftung von PDMS zu einem Epoxidharz

mittels unterschiedlicher Niederdruckplasmen sowie weiteren

chemischen Umsetzungen

⇒ Stabile Oberflächenfunktionalisierung

Plasmagestützte Methoden zur Verbesserung der Haftfestigkeit

1) Sauerstoffplasma

2) Ammoniakplasma

3) NH3- Plasma + chemische Umsetzung mit Polyethylen-alt-Maleinsäureanhydrid

4) O2- Plasma + chemische Umsetzung mit 3- Aminopropyltriethoxysilan

Plasmaanlge für die NH3- Modifizierung

1) Sauerstoffplasma ⇒ Einführung von sauerstoffhaltigen Gruppen

2) Ammoniakplasma ⇒ Einführung von NH2- und anderen N- haltigen Gruppen

bekannte Probleme bei der Plasmabehandlung von PDMS

Hydrophobic Recovery: - Neuausrichtung von unpolaren Gruppen vom Bulkan die Oberfläche, sowie polare Gruppen von der Oberfläche in den Bulk

- Migration von niedermolekularen Silioxanen zurSilikonoberfläche

O2- Plasma: - Ausbildung einer silikatähnlichen Schicht (10 – 160 nm)

3) NH3- Plasma + Polyethylen-alt- Maleinsäureanhydrid (MSA)

CH CH CH2 CH2

OOO

n

4) O2 - Plasma + 3- Aminopropyltriethoxysilan (γ- APS)

Si NH2

OEt

OEtEtO

PDMS

NH3- Plasma

Erzeugung von Amin-Gruppen

1. Polymerbeschichtung mit MSA- Copolymer

2. 120°C/ 2h, H2O, 120°C/ 2h

Beschichtung mit 1,4 Butandiamin

reaktive MSA- Schicht

Umsetzung mit MSA- Copolymer

freie Amingruppen +

Quervernetzung

H2N CH2 NH24

Umsetzung mit 3- Aminopropyltriethoxysilan (γ- APS)

PDMS

SiOH

SiOH

SiOH

Beschichtung mit γ- APS

O2- Plasma

SiOSi OEtO

NH2

SiOSi

O Si OOSi

NH2 NH2

H2O; EtOH

Erzeugung einer vernetzten Silanschicht mit freien

Amingruppen

Methoden zur Oberflächenanalytik

- (dynamischer) Kontaktwinkel

- Zetapotential

- XPS- MicroGlider; AFM

Abhängigkeit des Fortschreitwinkels von den O2- Plasmabedingungen

020406080

100120140

unbe

hand

eltO2:

100W

; 15s

O2: 30

0W; 1

5sO2:

600W

; 15s

O2: 60

0W; 6

0s

Forts

chre

itwin

kel

sofort1 Tag 1 Woche

Abhängigkeit des Zetapotentials von den O2- Plasmabedingungen

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

pH- Wert gemessen in 10-3 M KCl

O2: 100W; 15s O2: 600W; 15s unbehandelt

Zeta

pote

ntia

l in

[mV

]

Abhängigkeit des Fortschreitwinkels von den NH3- Plasmabedingungen

0204060

80100120140

unbehandelt NH3: 7W;120s

NH3: 7W;600s

NH3: 10W;120s

Fort

schr

eitw

inke

l

sofort

1 Tag

1 Woche

Abhängigkeit des Zetapotentials von den NH3- Plasmabedingungen

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25 NH3: 7W; 120s NH3: 7W; 600s unbehandelt

Zeta

pote

ntia

l in

[mV

]

pH- Wert gemessen in 10-3 M KCl

Abhängigkeit des Fortschreitwinkels von den von den chem. Umsetzungen

0

20

40

60

80

100

120

140

unbehandelt NH3: 10W;120s + MSA

NH3: 7W; 600s+ MSA

O2- Plasma +APS

Fort

schr

eitw

inke

l

sofort

1 Tag

1 Woche

Abhängigkeit des Zetapotentials von den von den chem. Umsetzungen

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

-35-30-25-20-15-10-505

1015202530354045505560

pH- Wert gemessen in 10-3 M KCl

NH3: 7W; 600s + MSA O2: 600W; 15s + APS unbehandelt

Zeta

pote

ntia

l

Zusammenfassung Kontaktwinkel

020406080

100120140

unbe

hand

eltO2:

600W

; 15s

NH3: 7W; 6

00s

NH3: 7W; 6

00s +

MSAO2-

Plasma + APS

Forts

chre

itwin

kel

sofort1 Tag1 Woche

Zusammenfassung Zetapotential

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

unbehandelt NH3: 7W; 600s NH3: 7W; 600s + MSA O2: 600W; 15s O2 + APS

Zeta

pote

ntia

l in

[mV

]

pH- Wert gemessen in 10-3 M KCl

Ausblick

- weiterführende Arbeiten im Rahmen eines Industrieprojektes

⇒ Bestimmung der Haftung zwischen PDMS und einem Epoxidharz

⇒ Pull-Off-Test

Victoria AlbrechtKarina GrundkeMirko NitschkeStephan Michel

Cornelia BellmannFrank Simon

Stephan ZschocheBeate Schneider