Grenzflächeninduzierte Kristallisation von Polymeren durch Prefreezing

Abstract

In dieser Arbeit wurde erstmals Prefreezing als Mechanismus der grenzflächeninduzierten Kristallisation in einem molekularen System nachgewiesen. Dazu wurden die Kristallisation und das Schmelzen dünner Polyethylen- (PE) und Poly-ε-caprolacton- (PCL) Filme auf Graphit mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Bei Prefreezing bildet sich auf dem Substrat eine dünne kristalline Schicht bereits bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes. Diese Schicht konnte bei den untersuchten Proben mit AFM-Messungen im netto-attraktiven Regime des intermittierenden Modus abgebildet werden. Für PE konnte die Reversibilität von Prefreezing und die Existenz einer Gleichgewichtsschichtdicke gezeigt werden. Bei den PCL-Filmen wurde durch die direkte Messung der kristallinen Schichtdicke das typische Verhalten einer Prewetting-Schicht mit charakteristischem Sprung nachgewiesen. Deshalb wird Prefreezing als Prewetting-Übergang der kristallinen Phase im Rahmen der Benetzungstheorie interpretiert.

This work presents the first in situ observation of prefreezing as a mechanism of interface-induced crystallization in a molecular system. For this purpose, the crystallization and melting of thin epitaxial films of polyethylene (PE) and poly-ε-caprolactone (PCL) on graphite were studied with atomic force microscopy (AFM). During prefreezing, a thin crystalline layer is formed at the interface at temperatures above the melting temperature. This prefreezing layer was imaged with AFM measurements in the net-attractive regime of intermittent contact mode for both samples. The reversibility of the process, as well as an equilibrium layer thickness, was observed for PE on graphite. The PCL films allowed a direct measurement of the crystalline layer thickness, which shows a characteristic jump during formation, typical for prewetting layers. Hence, within the classical wetting theory, prefreezing is interpreted as the prewetting of the crystalline phase.