Molekulare Interaktionen von Cyanacrylaten mit nativen Metalloberflächen : eine spektroskopische Analyse

Cyanacrylate sind eine schnell aushärtende Klebstoffklasse, die im allgemeinen Sprachgebrauch auch als „Sekundenkleber“ bezeichnet wird. Trotz des breiten Anwendungsspektrums ist wenig darüber bekannt, wie die Festigkeit einer Klebverbindung mit Cyanacrylat-Klebstoff zustande kommt. Das Cyanacrylat sucht sich für die Aushärtung in der Regel Feuchtigkeit aus der Umgebung als Reaktionspartner. Die Variation der umgebenden Prozessatmosphäre und des zu klebenden Substrats wirken sich somit potentiell auf die Aushärtung und die Festigkeit des Klebstoffs aus. Im Rahmen dieser Arbeit werden mittels oberflächensensitiver spektroskopischer Methoden die molekularen Wechselwirkungen zwischen Cyanacrylat und verschiedenen (oxidierten) Metalloberflächen identifiziert. Darüber hinaus wird der Einfluss von sauerstoff- und wasserarmen Schutzgasatmosphären auf die Aushärtung und Interaktion an der Grenzfläche untersucht. Die Ergebnisse auf molekularer Ebene werden skalenübergreifend mit Zugfestigkeitsprüfungen verglichen, die von einem Projektpartner durchgeführt wurden.

Vor den spektroskopischen Untersuchungen wird eine Probenpräparation aufgebaut und evaluiert, um die Grenzfläche zwischen Klebstoff und Metall(oxid) mit oberflächensensitiven Messmethoden analysieren zu können. Das Abscheiden nm-dünner Cyanacrylat-Filme mittels Spin-Coating bietet dabei den Vorteil, dass sich die Präparation auch in eine Handschuhbox mit variierenden Prozessatmosphären übertragen lässt.

Zunächst werden nm-dünne Cyanacrylat-Filme auf nativ oxidiertem Kupfer abgeschieden und die molekularen Wechselwirkungen an der Grenzfläche identifiziert. Basierend auf den spektroskopischen Messungen wird ein Reaktionsmechanismus aufgestellt, der die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und ionischen Wechselwirkungen beinhaltet.

Im weiteren Verlauf werden in analogen Messreihen die Interaktionen auf Gold und nativ oxidiertem Aluminium untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Ausbildung der molekularen Wechselwirkungen vom Oxidationszustand der Oberfläche und der Zeit abhängig ist.

Die Variation der umgebenden Prozessatmosphäre zeigt, dass der geringe Wassergehalt in einer Argon-Atmosphäre die Ausbildung der ionischen Wechselwirkungen verhindert. Die Zugabe von Silan zum Argon und die dabei entstehenden Nebenprodukte wirken dem entgegen und führen ebenfalls zur Bildung von ionischen Interaktionen. Sowohl in Argon- als auch in Argon/Silan-Atmosphäre kann die schnelle Aushärtung des Cyanacrylats verlangsamt werden.