Neuer AR 300-80 mit Kontaktwinkelmessung

Neben dem etablierten Haftvermittler AR 300-80 (basierend auf Diphenylsilandiol) können auch weitere siliziumhaltige Verbindungen eingesetzt werden, um hydrophile Oberflächen zu hydrophobisieren.  Voraussetzung dafür ist, dass die verwendeten Silane eine oder zwei reaktive Abgangsgruppen aufweisen, die mit der Oberfläche reagieren können.

Reaktive Gruppen sind etwa Chloride, Alkoholate oder Hydroxylgruppen, so dass HCl, der freie Alkohol oder Wasser bei der Kondensation entstehen. Die reaktiven Gruppen weisen jedoch deutliche Unterschiede in der Reaktivität auf.

Generell ist es erforderlich, alle Substrate vor ihrer Verwendung gründlich zu reinigen. Häufig reicht dafür schon intensives Spülen mit Aceton und DI-Wasser aus. Für stärker verschmutzte Oberflächen empfiehlt sich der Einsatz von O2-Plasma oder die Verwendung von heißer basischer bzw. saurer Piranha-Lösung.   Nachfolgend muss gründlich  mit DI-Wasser gespült werden. Ein direkter Kontakt von saurer Piranha-Lösung mit Aceton sollte unbedingt vermieden werden, da sich dabei explosive Acetonperoxide bilden!

Chlorsilane reagieren in der Regel bereits deutlich unterhalb der Raumtemperatur sehr schnell mit dem Substrat und spalten dabei HCl ab. Die Alkoholate der Silane reagieren deutlich langsamer und meist erst ab etwa 30°C mit der Oberfläche, höhere Temperaturen beschleunigen jedoch die Kondensation. Die Hydroxylsilane erfordern dagegen  viel höhere Temperaturen, AR 300-80 etwa 170 – 180°C. Für viele Substrate sind diese hohen SB-Temperaturen ungünstig, die Verwendung von Si-Alkoholaten mit einem erforderlichen Softbake im Bereich von nur etwa 70 – 90°C ist daher eine sehr gute Alternative und im Unterschied zu den Chlorsilanen wird hier kein korrosiver HCl freigesetzt. Es zeigte sich, dass die neue Variante unseres Haftvermittlers AR 300-80neu, der auf diesen Si-Alkoholaten basiert, sich genauso gut als Haftvermittler eignet, wie die vorherige Variante. Die ebenfalls gute Wirksamkeit von AR 300-80neu wurde anhand von Kontaktwinkelmessungen detailliert evaluiert.

Im folgenden wird eine Methode der Kontaktwinkelmessung (Methode des liegenden Tropfens)  an einem Beispiel (Paraffinoberfläche mit unterschiedlichen Lösemitteln) kurz vorgestellt.

Es wird nach statischen und  dynamischen Kontaktwinkelmessungen unterschieden. Beim statischen Kontaktwinkel wird der zu untersuchende Flüssigkeitstropfen auf eine Oberfläche eines Festkörpers abgesetzt. Er sollte einen Durchmesser von 2 bis 6 mm haben, dann ist der gemessene Kontaktwinkel unabhängig vom Durchmesser des Tropfens. Im Gegensatz dazu beschreiben die dynamischen Kontaktwinkel die Vorgänge an der Grenzfläche flüssig-fest während der Benetzung und der Entnetzung. Dabei werden der Fortschreite- (Vergrößerung des Tropfenvolumens) und der Rückzugswinkel (Verkleinerung des Tropfenvolumens) bestimmt und die Hysthereseeigenschaften ausgewertet.

Statische Kontaktwinkel können nach der Tangentenmethode bestimmt werden. Dabei wird das gesamte Profil des liegenden Tropfens an eine allgemeine Kegelschnittgleichung angepasst. Die Ableitung dieser Gleichung an der Basislinie ergibt die Steigung im Dreiphasenkontaktpunkt und somit den Kontaktwinkel.

Youngsche-Gleichung

Young´sche Gleichung (Quelle: Wikipedia)

 

In den folgenden Abbildungen sind Videoaufnahmen von Tropfen verschiedener Lösungsmittel auf Paraffin zur Messung des statischen Kontaktwinkels q dargestellt. Anhand der einzelnen Bilder wird deutlich, wie sich die Tropfenform und damit auch der Kontaktwinkel in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften des Lösungsmittels ändert. Der statische Kontaktwinkel beträgt bei Wasser 109 °, bei Ethylenglycol 88 ° und wird beim Übergang zu einem langkettigen Alkohol wesentlich kleiner (37 °). Der Unterschied zwischen dem Kontaktwinkel von Wasser und von Ethylenglycol macht sich in einer unterschiedlichen Tropfenform und damit unterschiedlichen Benetzungsverhalten deutlich bemerkbar (Differenz von etwa 20 °) .

Wasser-Paraffin

Wasser auf Paraffin, q = 109 °

Ethylenglycol-Paraffin

Ethylenglycol auf Paraffin, q = 88 °
Octanol-Paraffin

Octanol auf Paraffin, q = 37 °