Topographic characterization of polymer materials at different length scales and the mechanistic understanding of wetting phenomena [Elektronische Ressource] / von Alfredo Calvimontes

Ipf Dresden E.V.

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• Physik

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• Publié par: technische_universitat_dresden
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 20
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Topographic characterization of polymer materials at different
length scales and the mechanistic understanding of wetting
phenomena

D I S S E R T A T I O N


Zur Erlangung des akademischen Grades

Doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)

vorgelegt

der Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Dresden

von

M. Sc. Alfredo Calvimontes



geboren am 23. Januar 1965 in La Paz, Bolivien


Verteidigt am 10.12.2009

Die Dissertation wurde in der Zeit von 01.05.2007 bis 30.04.2009
im Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. angefertigt.



To my wife Mónica Acknowledgement

I gratefully acknowledge Prof. Dr. Manfred Stamm, Dr. Karina Grundke and Dr.
Victoria Dutschk for giving the opportunity to carry out this work and for scientific
supervision.
I would like to acknowledge Prof. Dr. Gert Heinrich, Prof. Dr. Chokri Cherif, Dr.
Burkhard Breitzke, Dr. Neil Lant and Mr. Stefan Werner for working ideas, friendship
and helpful discussions.
I am very grateful all my colleagues from the Department of Polymer Interfaces for
the warm working atmosphere and permanent support.
My special thanks address to my wife and sons.
This research is made possible through the financial support from German Ministry of
Education and Research and Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. Abstract

The present study suggests new insights into topographic characterisation of
engineering polymer surfaces towards to physical-chemical and mechanistic
understanding of wetting phenomena on rough surfaces.
Non-contact chromatic confocal imaging was chosen and justified as the optimal
measuring method to study and correlate surface topography and surface properties
of Sheet Moulding Compounds (SMC) as well as polyester and cotton fabrics. Before
topographical characterisation, an adequate selection of optimal sampling conditions
(cut-off length and resolution) were done by a systematic procedure proposed for
periodic and non-periodic surfaces.
Topographical characterisation of the surfaces was realized by an innovative
methodology, separately considering different length scales in dependence on the
surface morphologies of the materials.
For SMC materials, the influence of moulding conditions (pressure, moulding time,
metallic mold topography, metallic mold form, prepregs placement procedure, glass
fibres content and orientation) on resulting macro-, meso- and micro-topography was
studied. A model to conceptualize the influence of the most important moulding
conditions on topographic characteristics and, as a consequence, on the quality of
the resulting surface was presented. To quantify the effect of surface modification, a
new parameter (Surface Relative Smooth) was suggested, developed and validated,
which can be used for the characterisation of changes due to surface modifications
for every solid material.
A very important and innovative part of the present study is the development of new
concepts for topographic characterisation of textile materials using different length
scales, that makes possible to consider and analyse separately their specific
morphologies caused by weave, yarn and filament/fibres, and to investigate the
influence of topography on wettability by modification processes, e.g. construction
parameters, thermosetting, impregnation with Soil Release Polymers (SRP) and
wash-dry cycles. The present study showed, how construction parameters of polyester textiles, such
as fineness of filaments and yarn, warp and weft densities as well as the type of
weave, control the surface topography - characterised as meso-porosity (spaces
between yarns) and micro-porosity (spaces between filaments) - and as a
consequence strongly influence their capillarity. On the basis of experimental results,
revealing differences in three basic types of woven fabrics – plain, twill and Panama
– in respect to water penetration, the concept of an innovative novel wicking model
was developed.
Additionally, the influence of thermosetting and impregnation of polyester fabrics with
Soil Release Polymers on topography, wetting and cleanability of three woven plain
polyester fabrics, having different wefts, were studied.
To characterise the soiling behaviour, an ‘spot analysis method’ was suggested,
allowing wetting dynamics studies of liquids on fabrics with anisotropic surface
properties. This method is applicable also to surfaces with anisotropic roughness
characteristics and to porous media.
The effect of wash-dry cycles on topography, spreading, wetting and soiling of woven
plain and knitted cotton fabrics was in addition investigated.
In all cases studied, the topographical characterisation and interpretation of results
on different length scales contributed to a better understanding of wetting
phenomena.
A mathematical model for a virtual construction of textile surfaces to predict effects
resulting from topographic changes on the behaviour of polymer and textiles surfaces
was developed. Woven plain textiles and SMC surfaces were mathematically
synthesized by a combination of various harmonic waves, i.e. Fourier synthesis.
Topographic and technical construction parameters were taken into account to build
their virtual topographies. In the case of textile surfaces, the effect of wash-dry cycles
for cotton fabrics and thermosetting of polyester fabrics on their meso- and micro-
morphology was investigated on the basis of the real topography of a given textile
surface. The model allows to predict changes in the porosity of resulting textile
materials, their wettability and soiling behaviour. The method presented provides
possibilities to simulate controlled changes in textile construction parameters and to
study their effect on the resulting topography. Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit vermittelt neue Einblicke in die topographische
Charakterisierung technisch relevanter Polymeroberflächen mit dem Ziel, die
Mechanismen der Benetzungsphänomene auf rauen Oberflächen besser zu
verstehen.
Eine 3D-Abbildung der Oberflächentopographie wurde mit einem konfokalen
Mikroskop mit chromatischer Kodierung zwecks optimaler Charakterisierung
duromerer Verbundwerkstoffsystemen (SMS: Sheet Moulding Compounds) sowie
Polyester- und Baumwolltextilien berührungsfrei durchgeführt. Zur topographischen
Oberflächencharakterisierung wurde eine systematische Prozedur vorgeschlagen,
welche es erlaubt, eine entsprechende Auswahl von optimalen Messbedingungen,
wie die Bewertungslänge (cut-off length) und Auflösung, für Oberflächen mit
periodischer und nicht-periodischer Rauheit zu treffen.
Die topographische Charakterisierung von Oberflächen wurde methodologisch weiter
entwickelt, indem die Oberflächen auf verschiedenen Längenskalen je nach
Morphologie untersucht werden können.
Für duromere Verbundwerkstoffsysteme wurde der Einfluss von den Bedingungen
des Formpressens (Druck, Zeit, Topographie und Form des metallischen Werkzeugs,
Einbringen des Prepregs, Glasfasergehalt und -orientierung) auf die resultierende
makro-, meso- und mikroskopische Topographie studiert. Eine modellmäßige
Beschreibung des Einflusses der wichtigsten Charakteristiken des
Herstellungsprozesses duromerer Verbundwerkstoffsysteme auf ihre topographische
Charakteristiken und demzufolge auf die Qualität des Endproduktes wurde konzipiert.
Zur Quantifizierung des Effekts der Oberflächenmodifizierung wurde einen neuen
Parameter – Surface Relative Smooth – vorgeschlagen und dessen Nutzung für
jedes beliebige Feststoffkörpers verifiziert.
Das Hauptaugenmerk bei der Durchführung der Arbeit wurde auf die Entwicklung
neuer Konzepte zur topographischen Charakterisierung textiler Materialien gelegt,
welche die Nutzung mehrerer Längenskalen in Betracht ziehen. Dies ermöglicht die spezifische Morphologien textiler Strukturen zu berücksichtigen und jede Struktur,
welche durch die Gewebeart, die Art der Fasern und des Garns entstanden ist,
gesondert bezüglich ihr Einflusses auf die Benetzbarkeit infolge der Modifizierung
(Konstruktionsparameter, Thermofixierung, Imprägnierung mit Soil-Release-
Polymeren, Waschen/Trocknen-Zyklen) zu analysieren.
In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie die Konstruktionsparameter von
Polyestertextilien, wie z.B. die Filament- und Garnfeinheit, Kett- und Schussdichte
sowie die Gewebebindung Einfluss auf die Oberflächentopographie und als Folge auf
ihre Kapillarität nehmen, und zwar als Mesoporosität (Abstände zwischen
Garnwindungen) und als Mikroporosität (Abstände zwischen einzelnen Filamenten).
Auf der Basis von umfangreichen experimentellen Daten, welche die Unterschiede
zwischen verschiedenen Bindungsarten (Leinwand, Köper, Panama) offenbaren,
wurde ein neues Modell zur Beschreibung der Penetration von Flüssigkeiten in die
textile Strukturen entwickelt.
Außerdem wurde der Einfluss der Thermofixierung