Molekulare Dynamik in dünnen Polymerschichten auf Metallen: Vernetzung, Netzwerkzustand und Alterung

Abstract

Nach heutigem Kenntnisstand spielt die Polymerdynamik eine wesentliche Rolle beim Verhalten adhäsiver Systeme. Insbesondere für die Belastbarkeit (Leistungsfähigkeit) von technisch bedeutsamen Metallklebungen gilt die Polymerdynamik im Übergangsbereich (der Interphase) zwischen Klebstoffinnerem (Bulk) und Substrat als entscheidender Faktor. Inwiefern die geometrische Ausdehnung der Interphase und deren Entstehung vom Substrat abhängen, ist jedoch noch nicht ausreichend bekannt. Für einen Epoxid- und einen Polyurethanklebstoff werden im Rahmen dieser Arbeit die Vernetzung und die ausgebildeten Netzwerkzustände hinsichtlich ihrer molekularen Dynamik im Bulk und in dünnen Polymerschichten auf Metallen untersucht. Als Substrate dienen die klebtechnisch wichtigen Materialien Aluminium, Kupfer und Gold. Zur Charakterisierung der Polymerdynamik wird die dielektrische Spektroskopie (DES) eingesetzt. Mit der thermischen und der hygrothermischen Alterung im Bulk und in den dünnen Polymerschichten auf Metallen beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit. Das Augenmerk der Untersuchungen liegt auch hier auf der Polymerdynamik, die sich während der Alterung verändert. Darüber hinaus werden aber auch die Veränderungen der chemischen Struktur im Bulk und in dünnen Schichten aufgezeigt. Die Ergebnisse zeigen, daß die Polymerdynamik während der Vernetzung, in den ausgebildeten Netzwerken und auch während der Alterung mit dem Übergang vom Bulk zu dünnen Schichten substratspezifische Veränderungen erfährt, die je nach Substrat unterschiedlich stark ausgeprägt sind.

According to the state of knowledge dynamics in polymers plays a significant role for adhesive systems. Particularly, the polymer dynamics of the interphase between adhesive bulk and substrate is an important parameter for the performance of adhesive metal joints. However, it is extensively unknown how the formation and the thickness of the interphase depend on the metal substrate. In the first part of this thesis the molecular dynamics in the bulk and in thin polymer films on metals are investigated for an epoxy adhesive and for a polyurethane adhesive during curing and for the cured polymer networks. The substrates are aluminium, copper and gold. The polymer dynamics is characterised by dielectric spectroscopy (DES). The second part of the thesis deals with the thermal and the hygro-thermal ageing behaviour of the bulk and of the thin polymer films. The discussion is focussed again on polymer dynamics. In addition, changes of the chemical structure in bulk and in thin layers are analysed by ir spectroscopy. The results reveal that polymer dynamics changes with the transition from the bulk to thin layers on metals. This holds for the curing process as well as for the cured network and for the changes caused by ageing. The effects differ specifically with the kind of substrate.