Molecular adhesion science and engineering of nanostructured poly(acrylic acid)/metal oxide interfaces

Das grundlegende Verständnis von makroskopischen Haftungsphänomenen beginnt bei der Analyse von molekularen Wechselwirkungen unter kontrollierten Bedingungen (Materialeigenschaften, chemische Oberflächenzusammensetzung, und weiteren Einflussfaktoren wie z.B. pH-Wert, Elektrolytzusammensetzung). In dieser Arbeit wurden die molekularen und makroskopischen Haftungseigenschaften von makromolekularer Poly(acrylsäure) (PAA) als potenzieller Haftungsvermittler auf Edelstahl und verschiedenen nanostrukturierten Zinkoxid (ZnO) Oberflächen untersucht, die mittels elektrochemischer und hydrothermalen Abscheidemethoden auf Edelstahl und feuerverzinktem Stahl (HDG) abgeschieden wurden. Molekulare Haftungsmechanismen zwischen PAA und ZnO basierend auf multi-koordinativen Bindungen in Abhängigkeit von der Oberflächenchemie und der Verweilzeit konnten mit der s.g. Einzelmolekülspektroskopie aufgeklärt werden. Die Ergebnisse aus weiteren makroskopischen Enthaftungsexperimenten und Rückseitenanalytik bei der Verwendung von verdünnten, wässrigen PAA-Lösungen zur Vorbehandlung von nanostrukturierten ZnO Filmen auf HDG Stahl untermauerten die starken Wechselwirkungen zwischen ZnO-PAA. Mittels Elektropolymerisation abgeschiedene PAA Filme zeigten eine signifikante Steigerung in den makroskopischen Haftungseigenschaften bei einem ausgewählten Model-Epoxid-Amin-Klebstoff auf Edelstahl. Die Kombination von ZnO Tetrapoden (ZnO TP) und PAA als hybridische, haftungsverbessernde Sprühbeschichtungen aus wässrigen Dispersionen auf Poly(propylen) Folien bestätigten, sowohl die chemischen, als auch mechanischen Haftungseigenschaften von nanostrukturierten ZnO/PAA Interphasen. Daher können PAA/Metalloxid-Grenzflächen die Tür in diversen technischen Ansätzen für innovative Anwendungen öffnen, wie z.B. in Sprühapplikationstechniken.

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The fundamental understanding of macroscopic adhesion phenomena begins with the analysis of molecular interactions under controlled conditions (material properties, chemical surface composition, and other influencing factors such as pH, electrolyte composition). In this work, the molecular and macroscopic adhesion properties of a macromolecular poly(acrylic acid) (PAA) as a potential adhesion promoter on stainless steel and various nanostructured zinc oxide (ZnO) surfaces, which were deposited on stainless steel and hot-dip galvanized steel (HDG) using electrochemical and hydrothermal deposition methods, were investigated. Molecular adhesion mechanisms between PAA and nanostructured ZnO films based on multi-coordinative bonds depending on the surface chemistry and the dwell time could be clarified by means of single molecule force spectroscopy (SMFS). The results from further macroscopic de-adhesion experiments and backside analysis when using dilute aqueous PAA solutions for the pretreatment of nanostructured ZnO films on HDG steel underpinned the strong interactions between ZnO-PAA. PAA films deposited by electropolymerization on stainless steel showed a significant increase in the macroscopic adhesion properties to a selected model epoxy amine adhesive. The combination of ZnO tetrapods (ZnO TP) and PAA as hybrid adhesion-improving spray coatings from aqueous dispersions on poly(propylene) films confirmed both the chemical and mechanical adhesion properties of nanostructured ZnO/PAA interphases. Therefore, PAA/metal oxide interfaces can open the door in various technical approaches for innovative applications like in spray coating techniques.