Modifying the wetting behavior of teflon AF1600 and PDMS thin films

Abstract

Diese Studie präsentiert eine umfassende Untersuchung der Oberflächeneigenschaften von zwei weit verbreiteten hydrophoben Materialien, nämlich Teflon AF1600 und Polydimethylsiloxane (PDMS). Ferner befasst es sich mit den temperaturabhängigen Benetzungseigenschaften. Dabei werden verschiedene fortgeschrittene Techniken wie Kontaktwinkelmessungen, asterkraftmikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM),Fourier-Transform-Infrarot-spektroskopie (FTIR) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) eingesetzt, um die Benetzungseigenschaften, Oberflächentopografien und chemischen Zusammensetzungen zu untersuchen. Ein neuartiges Reibungs-Adsorptionsmodell (FA Modell) wird entwickelt, um die temperaturabhängige Kontaktwinkel von Wasser auf hydrophoben Materialien zu beschreiben. Das Modell geht davon aus, dass eine hydrophobe Oberfläche spezifische Adsorptionsstellen hat und die Adsorptionsenergie je nach verschiedenen Oberflächenbedingungen variiert. Oberflächen, die mit Luft (Fest-Luft-Grenzfläche) oder Wasser (Fest-Wasser-Grenzfläche) in Kontakt stehen, werden durch die Oberflächenspannung im Vakuum und die unterschiedlichen Adsorptionsenergien beschrieben. Zusätzlich wird immer beobachtet, dass der Kontaktwinkel konstant bleibt, während sich das Tropfenvolumen ändert, bis die vorrückenden und nachrückenden Kontaktwinkel erreicht sind. Daher wird ein weiterer Faktor eingeführt – die variable Reibungskraft mit einem Grenzwert (Ffmax). Die experimentelle Bestimmung beider Faktoren für TeflonAF1600 wird durch Kontaktwinkelmessungen erreicht. Das FA-Modell wird anschließend verwendet, um den Kontaktwinkel während der Elektrobenetzung (EW) auf Teflon AF1600bei unterschiedlichen Temperaturen zu beschreiben und zeigt eine hohe Übereinstimmung bis zu einer Temperatur von 50 °C. Die Anwendbarkeit des Modells auf TeflonAF1600, das mit Sauerstoffplasma behandelt wurde, wird ebenfalls nachgewiesen, was einen effizienten Ansatz zur Charakterisierung von Benetzungsverhalten auf rauen und strukturierten Oberflächen ohne Kenntnis strukturbezogener Parameter ermöglicht. Die Validierung des FA-Modells erstreckt sich zusätzlich auf die EW dieser plasma-behandelten Oberflächen. Neben den Benetzungseigenschaften taucht die Studie in Oberflächentopografien und chemische Zusammensetzungen ein, um ein tiefergehendes Verständnis von Oberflächenmodifikationen durch Sauerstoffplasma-Behandlung zu schaffen. Während die Sauerstoffplasma-Behandlung hauptsächlich Material entfernt und nanoskalige Strukturen auf Teflon AF1600 erzeugt, führt sie auf der PDMS-Oberfläche zur Bildung einer steifen Oxidschicht. Auf PDMS-Oberflächen entstehen gebeulte Strukturen aufgrund des der unterschiedlichen mechanischen Eigenschfaten zwischen der steifen Oxidschicht und dem weichen PDMS-Bulk. Die Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit und Topografien) von plasma-behandeltem Teflon AF1600 zeigen eine hohe Abhängigkeit von der angelegten Plasmaenergie, während für PDMS eine hohe Abhängigkeit zwischen Benetzbarkeit, Topografien und Schlüsselparametern wie Verdünnungsverhältnis, Schichtdicke und Plasmabehandlungszeit vorgestellt und diskutiert werden. Zusammenfassend trägt diese Studie nicht nur zum grundlegenden Verständnis der Oberflächeneigenschaften von Teflon AF1600 und PDMS bei, sondern präsentiert auch einen neuartigen Modellierungsansatz, der dazu verwendet werden kann, Benetzungsverhalten unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren und vorherzusagen. Damit ebnet sie den Weg von unterschiedlichsten, hydrophoben Oberflächen für einen weiteren Erkenntnisgewinn in den Oberflächenwissenschaften und zur Realisierung von zukünftigen Bauelementkonzepten.

This study presents a comprehensive investigation into the surface properties of two widely used hydrophobic materials, namely Teflon AF1600 and polydimethylsiloxane (PDMS), including the temperature dependency of the wetting properties. Various advanced techniques including contact angle (CA) measurements, atomic force microscope (AFM), scanning electron microscopy (SEM), fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are employed for the investigations of wetting properties, surface topographies, and chemical compositions. A novel Friction-Adsorption (FA) model is developed to describe the temperature-dependent water CA on hydrophobic materials. This model assumes that a hydrophobic surface has specific adsorption sites and the adsorption energy varies depending on different surface conditions.Surfaces that are in contact with air (solid-air interface) or water (solid-water interface) are described by the surface tension in a vacuum and the different adsorption energies. In addition, it is always observed that the CA stays constant while the droplet volume changes until reaching the advancing and receding CAs. Therefore, another factor – variable friction force with a limit value (Ffmax), is introduced. Experimental quantification of both factors for Teflon AF1600 is achieved through CA measurements. The FA model is then applied to describe CA when performing electrowetting (EW) on Telfon AF1600 at different temperatures, demonstrating high consistency at temperatures up to 50 ◦C. Furthermore, the model’s adaptability to oxygen-plasma-treated Teflon AF1600 is demonstrated, offering a straightforward approach to characterize wetting properties on roughened and structured surfaces without information about the structure-related parameters. Additionally, validation of the FA model extends to EW on these plasma-treated surfaces. Beyond surface wettability, the study also delves into surface topographies and chemical compositions,providing an in-depth understanding of surface modifications induced by oxygen plasma treatment. While the oxygen plasma treatment predominantly removes material and induces nanoscaled structures on Teflon AF1600, oxygen plasma results in the creation of a stiff oxide layer on the PDMS surface. Buckling structures are formed on PDMS surfaces due to the mechanical mismatch between the stiff oxide layer and soft bulk PDMS. The surface properties (i.e. wetting properties and topographies) of plasma-treated Teflon AF1600 exhibit high dependency on applied plasma energy, while high correlations betweenwetting properties, topographies, and key parameters such as dilution ratio, film thickness, and plasma treatment time are revealed for PDMS. In conclusion, this comprehensive study not only contributes to the fundamental understanding of surface properties for Teflon AF1600 and PDMS, but also introduces a novel modeling approach that can be applied to analyze and predict wetting behaviors under varying conditions, thus paving the way for advancements in both surface science and future device design.