Universität Ulm, Abteilung Experimentelle Physik

AFM beim Verstrecken von Polymeren

Polymere haben heute einen großen Anwendungsbereich. Von der Plastiktüte, dem Armaturenbrett im Auto oder Autoreifen, bis zu den Gehäusen der Elektronikgeräte oder Textilfasern - immer werden die Eigenschaften der Polymere, wie Schlagfestigkeit, Verformbarkeit etc. ausgenutzt. Obwohl Polymere so häufig verwendet werden, stellen sie doch auch heute noch eine Herausforderung an die Grundlagenforschung dar. Bessere Kenntnis der Vorgänge im mikroskopischen Bereich, zum Beispiel bei Deformation, kann dazu führen, daß vermehrt ungemischte Kunststoffe verwendet werden können, die so auch wiederverwertet werden können. Je höher die Stoffe gemischt sind, desto schlechter sind sie für die Umwelt, da sie beim Wiederverwerten nicht entmischt und somit nur noch zu minderwertigen Materialien verarbeitet werden können. Beides, lokale und globale Kenntnis über einen Stoff sind nötig, um ihn ausreichend beurteilen zu können.

In unserer Sektion sollen mit Hilfe der Kraftmikroskopie neue Erkenntnisse über das Verhalten von Polymeren unter äußerer Krafteinwirkung gewonnen werden. Von besonderem Interesse ist das Studium der Vorgänge an der Oberfläche. Bisher war dies auf Nanometerskala nur in sehr bedingtem Maße möglich. Die Kraftmikroskopie setzt hier nun neue Maßstäbe. So sind Deformationsmechanismen in Polymeren bisher nur in ihren mittleren Auswirkungen bekannt. Zwischen unterschiedlichen mikroskopischen Modellen konnte nicht unterschieden werden. Daher soll gezielt die Deformation mit dem Kraftmikroskop untersucht werden. Durch Variation der Umgebung (Temperatur, Atmosphäre) kann dann die Abhängigkeit der gemachten Beobachtungen von den äußeren Bedingungen bestimmt werden. Wesentliche Detailfragen betreffen den Einfluß von Heterogenitäten im Größenbereich >10 nm (Kristallite, Füllstoffe) in deren Umgebung die Deformation inhomogen verläuft. Dadurch werden makroskopische Eigenschaften wie E-Modul, Festigkeit und Schlagzähigkeit festgelegt. Außerdem entstehen Phänomene wie die Anisotropie der Polarisierbarkeit des Lichts und der Schallgeschwindigkeit bei Verstreckung. Diese Eigenschaften sind nicht nur abhängig von Mittelwerten, sondern vor allem von lokalen Orts- und Richtungskorrelationen. Die Kraftmikroskopie gestattet nun, lokale Topographie, Kräfte (Wechselwirkungen) und lokale, anisotrope Reibung gerade im entscheidenden Größenbereich zu untersuchen. Im Bereich extremer Dehnung wird angestrebt, beim Entstehen von Rissen deren Quellen zu finden und zu untersuchen. Methodisch entscheidend ist die Beherrschung der Präparation und Deformation sehr kleiner Probenmengen, sowie die Kontrolle des Beobachtungsortes während der Deformation.

Aktueller Stand

Es wurde eine mit dem AFM kombinierbare Verstreckvorrichtung konstruiert und gebaut. Sie ist erfolgreich im Einsatz. Kraft/Dehnungskurven während der AFM-Messung können erfasst werden. Zusätzlich wurde die Verstreckvorrichtung mit einem Heiztisch kombiniert. In situ Messungen während des Verstreckens unter kontrollierter Temperatur sind somit möglich

unverstreckt und verstreckt

Für AFM-Messungen auf weichen Polymerproben hat sich der neu entwickelte Pulsed Force Mode als zerstörungsfreie Meßmethode erwiesen. Bei gefülltem Kautschuk sind Füllerteilchen im Bild der Topographie, der lokalen Steifigkeit und der Adhäsion erkennbar.

Weitere Methoden zum Vergleich

In der Abteilung stehen Synchrotronstrahlung, Röntgen- und kalorimetrische Untersuchungsmethoden, sowie Nahfeldoptik und Kurzzeitlaserspektroskopie zu Verfügung. Diese bieten wichtige Interpretationshilfen für Strukturfragen, und es gibt dabei auch die Möglichkeit, die Stärken verschiedener Methoden zu kombinieren.

Siehe auch
AFM an Polymeren und Polymermischungen
Kraftmikroskopie

Prof. Dr. Othmar Marti

Dr. Sabine Hild

Armin Rosa

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Ingo Asbach 
 Last modified: 23.03.00 09:51:01