Temperature dependence of surface free energy on polymers - Myllynen, Rauno (2019)
Jään ja biomateriaalin kertyminen erilaisille pinnoille aiheuttaa vuosittain mittaamattomat taloudelliset menetykset ilmailuliikenteelle, merenkululle ja energian siirrolle. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tehdään valtavasti tutkimusta, jossa Tampereen teknillisen yliopiston materiaalitekniikan laboratorio on osallisena. Laboratoriossa kehitetään pintaratkaisuja, jotka pinnan mikrorakenteen ja matalan pintaenergian ansiosta estävät arktisissa olosuhteissa jään muodostumista. Tässä oletuksena on jään käyttäytyvän saman tapaisesti pinnalla kuin veden, mutta ei ole ollut olemassa julkaistua tietoa, onko pintaenergialla riippuvaisuutta mittauslämpötilaan. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää menetelmä polymeeristen kiinteiden näytteiden pintaenergian määrittämiseen matalissa lämpötiloissa. Tämän opinnäytetyön tarkoitus oli määrittää viiden polymeerimateriaalin (PE, UHMW-PE, PP, PTFE ja PU) pintaenergia muuttuvissa lämpötiloissa kontaktikulma-analysaattorilla käyttäen Peltier plate -tekniikkaa tutkittavien näytteiden lämpötilan säätämiseen ja täten pintaenergian mahdollinen lämpötilakorrelaatio. Työssä määritettiin tutkittavien polymeerinäytteiden kontaktikulmaa veden, etyleeniglykolin ja dijodometaanin kanssa Peltier plate -tekniikalla huoneenlämmössä, +15 °C, +10 °C sekä +5 °C lämpötiloissa. Näistä mittaustuloksista laskettiin OWRK-menetelmällä näytemateriaaleille pintaenergiat kussakin lämpötilassa ja laadittiin kuvaajat mittauslämpötilan vaikutuksesta. Työn tuloksena havaittiin trendi, jonka mukaisesti mittausnesteiden kontaktikulmat näytteiden kanssa pienenivät mittauslämpötilan madaltuessa. Tämä aiheuttaa pintaenergian kasvun näytteille lämpötilan laskiessa, mutta mittaustulosten pohjalta ei matemaattista kaavaa muutokselle voida vielä laatia. Tutkimuksen jatkamiseksi täytyy mittausolosuhteita kehittää ilmankosteuden osalta, sillä tämä aiheutti ongelmia matalissa lämpötiloissa. Erityisesti tämä korostui, kun haluttiin näytteistä useampi mittaustulos samassa lämpötilassa, Tämä osoittautui pulmalliseksi Peltier platen pienen näytepöydän kanssa toimittaessa, sillä tämä mahdollisti vain kolmen pisaran mittaamisen, ennen kuin näytekammio piti avata ja näyte puhdistaa ennen uudelleen asettelua pöydälle. Myöskin näytteet tulee jatkossa laatia paremmin työhön sopivaksi, sillä 6-8 mm paksujen näytteiden lämpötilan muutos vei suuren osan mittausajasta. Biofouling and heavy accretion of ice is known to cause massive financial losses to aviation, maritime logistics and energy transportation every year. The Laboratory of Material Science at Tampere University of Technology is involved in international research to tackle these problems. Among the subjects studied in the laboratory are surface coatings and structures which prevent accretion of ice, due to the micro structure of the surface and low surface free energy. It was hypothesised that accretion of ice is closely related to wetting of the surface, but no prior research existed whether there is correlation between surface free energy and ambient temperature. The purpose of this thesis was to develop a method for determination of surface free energy from solid polymer samples in low temperatures. The goal of the thesis was to determine surface free energy of five different polymer materials (PE, UHMW-PE, PP, PTFE and PU) in different temperatures. The measurements were made by Krüss 100S Drop shape analysis system using Peltier plate technique to adjust temperature of samples and thus find if there is correlation between temperature and surface free energy. According to the results of this research there was a trend of decreasing contact angle when temperature was lowered. Because of this, surface free energy increases when temperature is lowered. However, the measurement results were inadequate for calculating mathematical formula to describe this phenomenon. For future research, the measurement conditions need to be adjusted. Especially humidity in the environmental chamber caused numerous problems in lower temperatures when multiple sample droplets were deposited on the sample. This caused humidity related problems as the measurement table of Peltier plate allows only three droplets per sample before it must to be cleaned and repositioned. Also, in the future samples need to be better designed and prepared for Peltier plate as it took a major portion of measurement time to cool polymer samples which were 6 to 8 millimetres thick.