Exploring the boundary condition of polymeric liquids : experiments and MD simulations

Abstract

In the classic case of a liquid running trough a pipe, the flow velocity is usually the fastest in the center and decreases towards the walls. In this macroscopic picture, the very last ’fluid layer’ at the solid/liquid interface is at rest. On small scales, the importance of this interface grows, since the ratio between surface and volume increases. In fact, on a micro-scale and under certain conditions, a liquid can reach a velocity at the interface. This phenomenon is known as ’slippage’. Understanding slippage is a key to control the flow of fluids in micro-devices. The present thesis studies slippage of thin polymer films on two differently ordered types of self-assembled silane monolayers (SAM), as well as on an amorphous PTFE surface. Based on existing work on polystyrene [Gut2013,Bäu2012a], the influence of the liquid’s and substrate’s structure on slippage is examined in dewetting experiments of polymers with various side groups (PVP, PMMA, PS). It turns out that PS on a SAM of relatively low degree of order shows a significantly higher slip length than any other combination of polymer and surface tested in the context of this thesis. The specific kind of order plays a major role. Insights on the structure are gained with the help of X-ray reflectometry and molecular dynamic simulations. MD simulations were able to mimic experimentally observed structural and dynamical data.

Klassisch betrachtet fließt eine Flüssigkeit in einem Rohr in der Mitte am schnellsten und zum Rand hin langsamer. Die Flüssigkeitslage direkt an der Fest/flüssig-Grenzfläche ist makroskopisch gesehen in Ruhe. Auf kleinen Skalen nimmt die Bedeutung dieser Grenzfläche zu, da das Oberfl ̈ache-zu-Volumen-Verhältnis steigt. Unter bestimmten Umständen kann eine Flüssigkeit eine mikroskopische Geschwindigkeit an der Grenzfläche besitzen. Dieses Phänomen nennt man ’slippage’ (Rutschen). Um den Fluss in Mikro-Bauelementen zu kontrollieren, ist es wichtig dieses Rutschen zu verstehen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Rutschverhalten von dünnen Polymerfilmen auf zwei verschieden geordneten Silanmonolagen (SAM), sowie einer armophen PTFE Oberfläche. Ausgehend von früheren Arbeiten zu Polystyrol [Gut2013,Bäu2012a] wird der Einfluss des Aufbaus von Substrat und Flüssigkeit auf das Rutschen, anhand von Entnetzungsexperimenten mit Polymeren die unterschiedliche Seitengruppen aufweisen (PVP, PMMA, PS), untersucht. Es zeigt sich, dass PS auf SAMs relativ geringer Ordnung sehr viel besser rutscht, als irgendeine andere der untersuchten Substrat-Polymer-Kombinationen. Dabei spielt die Art der Ordnung eine wichtige Rolle. Mit Hilfe von Röntgenreflektometrie und Molekulardynamik-Simulationen konnten Einblicke in die Struktur gewonnen werden. Dabei war es möglich die experimentell beobachteten strukturellen und dynamischen Eigenschaften in MD-Simulationen nachzuahmen.