Angle-dependent deposition of thin amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) layers on selected biodegradable polymer films

  • The biodegradable polymers polylactic acid (PLA) and polyhydroxybutyrate (PHB) produced from renewable raw materials were coated with hydrogenated amorphous carbon layers (a-C:H) at different deposition angles with various thicknesses as part of this thesis. Similar to conventional polymers, biopolymers often have unsuitable surface properties for industrial purposes, e.g. low hardness. For some applications, it is therefore necessary and advantageous to modify the surface properties of biopolymers while retaining the main properties of the substrate material. A suitable surface modification is the deposition of thin a-C:H layers. Their properties depend essentially on the sp² and sp³ hybridization ratio of the carbon atoms and the content of hydrogen atoms. The sp²/sp³ ratio was to be controlled in the present work by varying the coating geometry. Since coatings at 0°, directly in front of the plasma source, contain a higher percentage of sp³ and indirectly coated (180°) a higher amount of sp², it is shown in this work that it is possible to control the sp²/sp³ ratio. For this purpose, the samples are placed in front of the plasma source at angles of 0, 30, 60, 90, 120, 150 and 180° and coated for 2.5, 5.0, 7.5 and 10.0 minutes. For the angles 0°, the layer thicknesses were 25, 50, 75 and 100 nm. The a-C:H layers were all deposited using radio-frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition and acetylene as C and H sources after being pretreated with an oxygen plasma for 10 minutes. Following the O₂ treatment and the a-C:H deposition, the surfaces are examined using macroscopic and microscopic measurement methods and the data is then analyzed. The surface morphology is recorded using scanning electron microscopy and atomic force microscopy. In addition, data on the stability of the layer and the surface roughness can be collected. Contact angle (CA) measurements are used to determine not only the wettability, but also the contact angle hysteresis by pumping the drop volume up and down. By measuring the CA with different liquids and comparing them, the surface free energy (SFE) and its polar and disperse components are determined. The changes in barrier properties are verified by water vapor transmission rate tests (WVTR). The chemical analysis of the surface is carried out on the one hand by Fourier transform infrared spectroscopy with specular reflection and on the other hand by synchrotron-supported techniques such as near-edge X-ray absorption fine structure and X-ray photoelectron spectroscopy. When analyzing the surfaces after the O₂ treatment, which was initially assumed to serve only to clean and activate the surface for the a-C:H coating, it was found that the changes were more drastic than originally assumed. For example, if PLA is treated at 0° for 10 minutes, the roughness increases fivefold. As the angle increases, it decreases again until it returns to the initial value at 180°. This can be recognized to a lesser extent with PHB at 30°. For both polymers, it can be shown that the polar fraction of the SFE increases. In the WVTR, a decrease in permeability can be observed for PLA and an increase in the initial value for PHB. The chemical surface analysis shows that the O₂ treatment has little effect on the surface bonds. Overall, it can be shown in this work that the O₂ treatment has an effect on the properties of the surface and cannot be regarded exclusively as a cleaning and activation process. With direct a-C:H coating (at 0°), a layer failure due to internal stress can be observed for both PLA and PHB. This also occurs with PHB at 30°, but to a lesser extent. Permeability of the polymers is reduced by 47% with a five-minute coating and the layer at 10.0 minutes continues to have this effect despite cracks appearing. The application of a-C:H layers shows a dominance of sp³ bonds for both polymer types with direct coating. This decreases with increasing angle and sp² bonds become dominant for indirect coatings. This result is similar for all coating thicknesses, only the angle at which the change of the dominant bond takes place is different. It is shown that it is possible to control the surface properties by an angle-dependent coating and thus to control the ratio sp²/sp³.
  • Die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten biologisch abbaubaren Polymere Polymilchsäure (polylactic acid, PLA) und Polyhydroxybuttersäure (polyhydroxybutyrate, PHB) wurden im Rahmen dieser Arbeit mit hydrierten amorphen Kohlenstoffschichten (amorphous hydrogenated carbon, a-C:H) bei unterschiedlichen Winkeleinstellungen mit verschiedenen Dicken beschichtet. Ähnlich wie herkömmliche Polymere haben Biopolymere oft ungeeignete Oberflächeneigenschaften für industrielle Zwecke, z.B. eine geringe Härte. Für manche Anwendungen ist es daher notwendig und vorteilhaft, die Oberflächeneigenschaften von Biopolymeren unter Beibehaltung der Haupteigenschaften des Trägermaterials zu modifizieren. Eine geeignete Oberflächenmodifikation ist das Aufbringen von dünnen a-C:H Schichten. Ihre Eigenschaften hängen wesentlich vom sp²- und sp³-Hybridisierungsverhältnis der Kohlenstoffatome und dem Gehalt an Wasserstoffatomen ab. Das sp²/sp³-Verhältnis sollte in der vorliegenden Arbeit durch Variation der Beschichtungsgeometrie gesteuert werden. Da Beschichtungen bei 0°, direkt vor der Plasmaquelle, einen höheren Anteil an sp³ und indirekt (180°) beschichtete ein höheren Anteil an sp² aufweisen, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass es möglich ist, das sp²/sp³ -Verhältnis zu kontrollieren. Dazu werden die einzelnen Proben in den Winkeln 0, 30, 60, 90, 120, 150 und 180° vor der Plasmaquelle platziert und mit einer Dauer von 2.5, 5.0, 7.5 und 10.0 Minuten beschichtet. Für den Winkeln 0° ergaben sich die Schichtdicken von 25, 50, 75 und 100 nm. Die a-C:H Schichten wurden alle mit Radiofrequenzplasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung und Acetylen als C und H Quelle abgeschieden, nachdem sie 10 Minuten lang mit einem Sauerstoffplasma vorbehandelt worden waren. Nach dieser O₂-Behandlung und der a-C:H Abscheidung werden die Oberflächen mit makroskopischen und mikroskopischen Messmethoden untersucht und die Daten anschließend analysiert. Die Oberflächenmorphologie wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der Rasterkraftmikroskopie erfasst. Auf diese Weise können auch Informationen über die Stabilität der Schicht und die Oberflächenrauhigkeit gesammelt werden. Mit Kontaktwinkelmessungen (contact angle, CA) wird nicht nur die Benetzbarkeit, sondern auch die Kontaktwinkelhysterese durch Auf- und Abpumpen des Tropfenvolumens bestimmt. Durch Messung des CA von verschiedenen Flüssigkeiten und deren Vergleich werden die freie Oberflächenenergie (surface free energy, SFE) und ihre polaren und dispersiven Bestandteile bestimmt. Die Veränderungen der Barriereeigenschaften werden durch Wasserdampftransmissionstests (water vapor transmission rate, WVTR) überprüft. Die chemische Analyse der Oberfläche erfolgt zum einen durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit spiegelnder Reflexion und zum anderen durch Synchrotron unterstützte Techniken wie der Nahkanten-Röntgenabsorptionsfeinstruktur und der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Bei der Analyse der Oberflächen nach der O₂ Behandlung, von der zunächst angenommen wurde, dass sie nur der Reinigung und Aktivierung der Oberfläche für die a-C:H Beschichtung dient, wurde festgestellt, dass die Veränderungen drastischer sind als ursprünglich angenommen. Wird PLA zum Beispiel bei 0° für 10 Minuten behandelt, steigt die Rauheit um das Fünffache. Mit zunehmendem Winkel verringert sich diese wieder, bis sie bei 180° wieder dem Ausgangswert entspricht. Bei PHB hingegen wird durchgehend ein ähnlicher Wert gemessen. Für beide Polymere lässt sich zeigen, dass der polare Anteil der SFE zunimmt. In der WVTR ist bei PLA eine Abnahme der Permeabilität und bei PHB ein Anstieg des Ausgangswertes zu beobachten. Die chemische Oberflächenanalyse zeigt, dass die O₂ Behandlung kaum Auswirkungen auf die Oberflächenbindungen hat. Insgesamt kann in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die O₂ Behandlung auf die Eigenschaften der Oberfläche auswirkt und nicht ausschließlich als Reinigungs- und Aktivierungsprozess betrachtet werden kann. Bei direkter a-C:H Beschichtung (bei 0°) ist sowohl bei PLA als auch bei PHB ein Schichtversagen bei 10.0 Minuten aufgrund von Eigenspannung zu beobachten. Dies ist bei PHB in geringerem Maße auch bei 30° zu erkennen. Die Durchlässigkeit der Polymere wird bei einer fünf minütigen Beschichtung um 47% reduziert und auch die Schicht bei 10.0 Minuten führt diesen Effekt trotz auftretender Risse weiter. Die Aufbringung von a-C:H Schichten zeigt für beide Polymertypen bei direkter Beschichtung eine Dominanz von sp³-Bindungen. Mit zunehmendem Winkel nimmt diese ab und bei indirekten Beschichtungen werden sp²-Bindungen dominierend. Dieses Ergebnis ist für alle Schichtdicken ähnlich, nur der Winkel, bei dem der Wechsel der dominanten Bindung stattfindet, ist unterschiedlich. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, die Oberflächeneigenschaften durch eine winkelabhängige Beschichtung zu steuern und somit das Verhältnis sp²/sp³ zu kontrollieren.

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Metadaten
Author:Lucas Beucher
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-24795
Referee:Christian B. Fischer, Barbara Hahn
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2024/06/20
Date of publication:2024/06/24
Publishing institution:Universität Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2024/06/07
Release Date:2024/06/24
Number of pages:141
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik
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