Adhesion mechanisms of silicone adhesives on aluminum

Abstract

Silicone adhesives and aluminum are among the most widely used materials in the transportation industry due to the increased need for lightweight structures. The quality and final performance of the adhesive joints can potentially be improved if the nature of the interactions at the interface are known and understood. Thus, this thesis is devoted to elucidating possible interactions between single silicone model components (SSMC) and native aluminum which allows the proposal of plausible adhesion mechanisms. The chemical state and orientation of the molecules at the interface have been evaluated via infrared external reflection absorption spectroscopy (IR-ERAS) from in-situ adsorption and co-adsorption experiments of the SSMC from dilute solution in tetrahydrofuran (THF). The stability of the adsorbate has also been examined by sequential THF rinsing steps which help to distinguish between strongly and weakly adsorbed molecules. The results show the dominant role of siloxane bonds (Si-O-Si) in the adhesion of silicones. New spectral features and resistance against solvent desorption have been consistently observed, indicating that the adsorbed SSMC firmly adheres to aluminum. Different possible concurrent mechanisms of adhesion have been proposed and preferential orientation of polydimethylsiloxane (PDMS) with Si-O-Si segments aligned parallel to the surface is also inferred. A significant impact of crosslinking in the interphase on the molecular orientation is exhibited during co-adsorption. No catalytic effect of the aluminum surface on crosslinking has been found.

Silikonklebstoffe und Aluminium zählen zu den meistverwendeten Materialien in der Transportindustrie wegen des erhöhten Bedarfs an Leichtbaustrukturen. Klebverbindungen können hinsichtlich Qualität und Leistungsfähigkeit prinzipiell optimiert werden durch Kenntnis und Verständnis der Wechselwirkungen an der Grenzfläche. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Aufklärung der Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen einzelnen Silikon-Modellkomponenten (SSMC) und Aluminium sowie das Aufstellen plausibler Adhäsionsmechanismen. Zur Untersuchung von Chemie und Molekülorientierung an der Grenzfläche wurden Adsorptions- und Co-Adsorptionsexperimente der SSMCs, gelöst in Tetrahydrofuran (THF), auf nativem Aluminium durchgeführt und in-situ mittels Externer Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie verfolgt. Die Adsorbatstabilität wurde mithilfe konsekutiver THF-Spülungen überprüft und somit zwischen stark und schwach adsorbierten Molekülen differenziert. Die Ergebnisse zeigen die vorherrschende Rolle von Siloxanbindungen (Si-O-Si) bei der Adhäsion von Silikon auf Aluminium. Neue spektrale Merkmale und eine Desorptionsresistenz gegen THF belegen die feste Anbindung der SSMCs an die Oberfläche. Mehrere simultane Adhäsionsmechanismen wurden postuliert. Außerdem wurde eine Vorzugsorientierung von Polydimethylsiloxan mit Si-O-Si-Segmenten parallel zur Aluminiumoberfläche abgeleitet. Bei der Co-Adsorption wirkt sich die Vernetzung in der Interphase deutlich auf die molekulare Orientierung aus. Kein katalytischer Einfluss der Aluminiumoberfläche auf die Vernetzung wurde gefunden.