Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4775
Main Title: Metal polymer hybrids
Subtitle: Multiscale adhesion behaviour and polymer dynamics
Translated Title: Metall/Polymer Hybride
Translated Subtitle: Adhäsionsverhalten und Polymerdynamik
Author(s): Üzüm, Marieke
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Schönhals, Andreas
Referee(s): Klitzing, Regine von
Schönhals, Andreas
Papastavrou, Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Adhäsion zwischen Metallen und Polymeren ist von großer Bedeutung besonders bei der Verwendung von Hybridmaterialien ohne zusätzlichen Primer bzw. Haftvermittler. Die vorliegende Arbeit untersucht das Adhäsionsverhalten auf zwei Längenskalen und die Lebenserwartung verschiedener Metall/Polymer Hybride. Zunächst wird die Adhäsion zwischen Polyamide 6 (PA6), Polyethylen (PE) und einer Aluminiumlegierung (Al-A) und einem Dualphasenstahl (DPS) untersucht mittels Kontaktwinkelmessungen und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Die Adhäsionsarbeit pro Fläche konnte so auf einer makro- und mikroskopischen Skala zerstörungsfrei bestimmt werden. Die Werte für die Adhäsionsarbeit der untersuchten Metall/Polymer Hybride zeigten den gleichen Trend auf beiden Längenskalen und zwar: Al-A/PA6 > DPS/PA6 > Al-A/PE, DPS/PE. Die Polymerkomponente dominiert hierbei die Adhäsion. Die geringere Adhäsion zwischen PE und den Metalloberflächen kann durch dominierende van der Waals Kräfte erklärt werden. Bei PA6 hingegen treten auch polare Wechselwirkungen, z.B. Wasserstoffbrückenbindungen auf, die zu der Adhäsion beitragen. Für die Metall/PA6 Hybride ist die Adhäsionsarbeit ähnlich auf makro- und mikroskopischer Längenskala. Für die Metall/PE Hybride wurden Unterschiede gemessen und zwar niedrigere Werten auf mikro- als auf makroskopischer Skala. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der thermischen und der Korrosionsbeständigkeit von PA6 und PE. Diese wurde mittels dielektrischer Spektroskopie gemessen. Die PA6 Proben zeigen nach dem Korrosionstest Unterschiede im dielektrischen Spektrum. Neben einer höheren Aktivierungsenergie für den lokalen beta- Prozess wurde auch eine erhöhte Intensität des MWS/Leitfähigkeitsprozesses gemessen mit einer Verschiebung dieses Prozesses zu niedrigeren Temperaturen. Diese Veränderungen werden auf Salzionen zurückgeführt, die nach dem Korrosionstest in der PA6 Probe zurückbleiben. Für das nicht polare PE ist das dielektrische Signal im Allgemeinen klein, da die PE Kette nur schwache bzw. keine Dipole aufweist. Verglichen mit PA6 konnten im PE Spektrum keine Veränderungen nach dem Korrosionstest detektiert werden. Die Aufnahme von Salzionen während des Korrosionstests hängt also mit der Polarität des Polymers zusammen. Die Kristallinität beider Polymere, PA6 und PE, wurde nicht durch den Korrosionstest beeinflusst, wie mit WAXS Messungen gezeigt wurde. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Adhäsionsverhalten nach dem Korrosionstest. Für DPS/PA6 erhöht sich die makro- und mikroskopische Adhäsionsarbeit nach dem Test während für DPS/PE nur die mikroskopische Adhäsionsarbeit ansteigt. Die Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen und SEM Bilder der Kugeln unterstützen die dielektrischen Ergebnisse, dass PE inert bzw. stabil gegenüber dem Korrosionstest ist und PA6 Salzionen aufnimmt. Allerdings ist der starke Anstieg der mikroskopischen Adhäsionsarbeit nach dem Korrosionstest auf Messschwierigkeiten mit dem AFM zurückzuführen durch mit Salz verunreinigte und deformierte Kugeln.
The adhesion between metal and polymer materials is of crucial importance especially if these materials are to be used as hybrids without additional adhesives, e.g. primers. The aim of this dissertation is to better understand the multiscale adhesion behaviour and the service life expectancy of different metal/polymer hybrids. First, the adhesion of polyamide 6 (PA6) and polyethylene (PE) towards an aluminum alloy (Al-A) and a dual phase steel (DPS) was studied by contact angle (CA) measurements and atomic force microscopy (AFM). The work of adhesion per area on a macro- and (sub)microscopic scale could be determined in a non destructive way. Work of adhesion values of the studied metal/polymer hybrids have the same trend on both length scales. That is: Al-A/PA6 > DPS/PA6 > Al-A/PE, DPS/PE. The polymer dominates the adhesion. The lower adhesion for PE towards the metal surfaces can be explained by domination of van der Waals attraction forces whereas for PA6 also attractive polar forces, e.g. hydrogen bonding, contribute to the adhesion. For metal/PA6, the work of adhesion per area on the macro- and microscopic length scales is similar. For metal/PE, a discrepancy was measured with lower adhesion values on the micro- than macroscopic scale. Second, the thermal and corrosion (in)stability of polyamide 6 (PA6) and polyethylene (PE) was studied using broadband dielectric spectroscopy. For PA6 two main changes were observed after the corrosion test: (1) A higher activation energy for the local beta- relaxation process and (2) an increased intensity of the MWS/conductivity process which is shifted to lower temperatures. It is argued that the changes in the dielectric spectra are caused by remaining salt ions in the sample. For the non-polar PE the dielectric response was weak because the chain backbone (-CH2- groups) carries only a weak dipole. Compared to the polar PA6, no changes were visible in the dielectric spectra of PE after the corrosion test. Thus the uptake of salt ions during the corrosion test is argued to be related to the polarity of the polymer. The crystalline structure neither of PA6 nor of PE is influenced by the testing procedures as shown by WAXS measurements. The last part focused on the adhesion properties after the corrosion stability test. For DPS/PA6 both, the macro- and microscopic work of adhesion per area increased after the corrosion stability test. For DPS/PE only the microscopic work of adhesion per area increased after the corrosion stability test. The change on the macroscopic scale was insignificant. Results from CA measurements and SEM images of treated polymeric microspheres supported the dielectric studies showing that PE was stable or inert against the corrosion test whereas PA6 attracted and incorporated salt ions. The strong increase of the microscopic work of adhesion after the corrosion stability test might be explained by difficulties in AFM measurements due to deformed and salt “contaminated” microspheres which make the interpretation of the force data difficult and even impossible in some cases.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-73155
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5072
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4775
Exam Date: 13-Oct-2015
Issue Date: 22-Oct-2015
Date Available: 22-Oct-2015
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): Adhäsion
Dielektrische Spektroskopie
Kontaktwinkelmessungen
Metall Polymer Hybride
Rasterkraftmikroskopie
Adhesion
Atomic force microscopy
Contact angle measurements
Dielectric spectroscopy
Metal polymer hybrids
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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