Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Stress & structure of thin polymer brush films

Polymer brushes have unique properties with a large variety of possible applications ranging from responsive coatings and drug delivery to lubrication and sensing. For further development a detailed understanding of the properties is needed. Established characterization methods, however, only supply information of the surface. Experimental data about the inner “bulk” structure of polymer brushes is still missing.rnScattering methods under grazing incidence supply structural information of surfaces as well as structures beneath it. Nanomechanical cantilevers supply stress data, which is giving information about the forces acting inside the polymer brush film. In this thesis these two techniques are further developed and used to deepen the understanding of polymer brushes. rnThe experimental work is divided into four chapters. Chapter 2 deals with the preparation of polymer brushes on top of nanomechanical cantilever sensors as well as large area sample by using a “grafting-to” technique. The further development of nanomechanical cantilever readout is subject of chapter 3. In order to simplify cantilever sensing, a method is investigated which allows one to perform multiple bending experiments on top of a single cantilever. To do so, a way to correlate different curvatures is introduced as well as a way to conveniently locate differently coated segments. In chapter 4 the change in structure upon solvent treatment of mixed polymer brushes is investigated by using scattering methods and nanomechanical cantilevers amongst others. This allows one to explain the domain memory effect, which is typically found in such systems. Chapter 5 describes the implementation of a phase shifting interferometer - used for readout of nanomechanical cantilevers - into the µ-focused scattering beamline BW4, allowing simultaneous measurements of stress and structure information. The last experimental chapter 6 deals with the roughness correlation in polymer brushes and its dependence on the chain tethered density.rnIn summary, the thesis deals with utilization of new experimental techniques for the investigation of polymer brushes and further development of the techniques themselves.rn

Elastic lateral buckling of cantilever LiteSteel beams under transverse loading

The LiteSteel Beam (LSB) is a new hollow flange channel section developed by OneSteel Australian Tube Mills using its patented dual electric resistance welding and automated continuous roll-forming technologies. The LSB has a unique geometry consisting of torsionally rigid rectangular hollow flanges and a relatively slender web. Its flexural strength for intermediate spans is governed by lateral distortional buckling characterised by simultaneous lateral deflection, twist and web distortion. Recent research on LSBs has mainly focussed on their lateral distortional buckling behaviour under uniform moment conditions. However, in practice, LSB flexural members are subjected to non-uniform moment distributions and load height effects as they are often under transverse loads applied above or below their shear centre. These loading conditions are known to have significant effects on the lateral buckling strength of beams. Many steel design codes have adopted equivalent uniform moment distribution and load height factors based on data for conventional hot-rolled, doubly symmetric I-beams subject to lateral torsional buckling. The non-uniform moment distribution and load height effects of transverse loading on cantilever LSBs, and the suitability of the current design modification factors to include such effects are not known. This paper presents a numerical study based on finite element analyses of the elastic lateral buckling strength of cantilever LSBs subject to transverse loading, and the results. The applicability of the design modification factors from various steel design codes was reviewed, and suitable recommendations are presented for cantilever LSBs subject to transverse loading.

Free vibration of a kinked cantilever with attached masses

In this paper free vibration characteristics of a centrally kinked cantilever beam of unit mass carrying masses at the kink (m(k)) and at the tip (m(t)) are analyzed. Frequency factors are presented for the first two modes for different combinations of m(k),m(t) and the kink angle delta. A relationship of the form f(m(k),m(t), delta) = m(k) + m(t)(4 + 10/3 cos delta+ 2/3 cos(2) delta)=const appears to give the same fundamental frequency for a given delta and different combinations of [m(k), m(t)]. Mode shapes as well as bending moments at the support and at the kink are also discussed. The utility of a discrete beam model in understanding the free vibration characteristics is also highlighted.

Size optimization of a cantilever beam under deformation-dependent loads with application to wheat stalks

In this paper, we consider the optimization of the cross-section profile of a cantilever beam under deformation-dependent loads. Such loads are encountered in plants and trees, cereal crop plants such as wheat and corn in particular. The wind loads acting on the grain-bearing spike of a wheat stalk vary with the orientation of the spike as the stalk bends; this bending and the ensuing change in orientation depend on the deformation of the plant under the same load.The uprooting of the wheat stalks under wind loads is an unresolved problem in genetically modified dwarf wheat stalks. Although it was thought that the dwarf varieties would acquire increased resistance to uprooting, it was found that the dwarf wheat plants selectively decreased the Young's modulus in order to be compliant. The motivation of this study is to investigate why wheat plants prefer compliant stems. We analyze this by seeking an optimal shape of the wheat plant's stem, which is modeled as a cantilever beam, by taking the large deflection of the stem into account with the help of co-rotational finite element beam modeling. The criteria considered here include minimum moment at the fixed ground support, adequate stiffness and strength, and the volume of material. The result reported here is an example of flexibility, rather than stiffness, leading to increased strength.

Optimum design of cantilever sheet pile walls in sandy soils using inverse reliability approach

In this paper an approach for obtaining depth and section modulus of the cantilever sheet pile wall using inverse reliability method is described. The proposed procedure employs inverse first order reliability method to obtain the design penetration depth and section modulus of the steel sheet pile wall in order that the reliability of the wall against failure modes must meet a desired level of safety. Sensitivity analysis is conducted to assess the effect of uncertainties in design parameters on the reliability of cantilever sheet pile walls. The analysis is performed by treating back fill soil properties, depth of the water table from the top of the sheet pile wall, yield strength of steel and section modulus of steel pile as random variables. Two limit states, viz., rotational and flexural failure of sheet pile wall are considered. The results using this approach are used to develop a set of reliability based design charts for different coefficients of variation of friction angle of the backfill (5%, 10% and 15%). System reliability considerations in terms of series and parallel systems are also studied.

Target reliability based design optimization of anchored cantilever sheet pile walls

In this study, the stability of anchored cantilever sheet pile wall in sandy soils is investigated using reliability analysis. Targeted stability is formulated as an optimization problem in the framework of an inverse first order reliability method. A sensitivity analysis is conducted to investigate the effect of parameters influencing the stability of sheet pile wall. Backfill soil properties, soil - steel pile interface friction angle, depth of the water table from the top of the sheet pile wall, total depth of embedment below the dredge line, yield strength of steel, section modulus of steel sheet pile, and anchor pull are all treated as random variables. The sheet pile wall system is modeled as a series of failure mode combination. Penetration depth, anchor pull, and section modulus are calculated for various target component and system reliability indices based on three limit states. These are: rotational failure about the position of the anchor rod, expressed in terms of moment ratio; sliding failure mode, expressed in terms of force ratio; and flexural failure of the steel sheet pile wall, expressed in terms of the section modulus ratio. An attempt is made to propose reliability based design charts considering the failure criteria as well as the variability in the parameters. The results of the study are compared with studies in the literature.

The vibration of cantilever bridges.

The natural frequencies of symmetrical double cantilever bridges are studied. Determinantal frequency equations are derived for the symmetric and the antisymmetric modes of vibration. They are solved numerically on a computer by the bisection method for the frequency parameter. The values of the frequency parameter for the first four modes are presented. Typical mode shapes are also presented.

Analysis of Long Cantilever Cylindrical Shell Subjected to Wind Loading

Bending analysis of closed cylindrical shells subjected to asymmetric load and having different support conditions is of interest in the design of chimneys, water towers, oil storage tanks, etc. A simple method of analyzing a long cantilever cylindrical shell, subjected to asymmetric load, is presented in the paper, using Schorer’s shell theory and orthogonal functions. The application of the solution has been illustrated with an example of a cantilever shell subjected to wind loads. The results obtained for this problem have been compared with the previously available results to illustrate the accuracy of the results obtained here. The solution presented can also be extended to a cylindrical shell with other support conditions, as well as to the study of free vibration of a cylindrical shell. The present solution will be very useful for designers who need to obtain numerical results for specific problems with minimum computational effort.

A Non-contact measurement technique to measure micro surface stress and obtain deformation profiles of the order of 1nm in Micro-cantilever based structures by single image Optical Diffraction method

A new method based on analysis of a single diffraction pattern is proposed to measure deflections in micro-cantilever (MC) based sensor probes, achieving typical deflection resolutions of 1nm and surface stress changes of 50 mu N/m. The proposed method employs a double MC structure where the deflection of one of the micro-cantilevers relative to the other due to surface stress changes results in a linear shift of intensity maxima of the Fraunhofer diffraction pattern of the transilluminated MC. Measurement of such shifts in the intensity maxima of a particular order along the length of the structure can be done to an accuracy of 0.01mm leading to the proposed sensitivity of deflection measurement in a typical microcantilever. This method can overcome the fundamental measurement sensitivity limit set by diffraction and pointing stability of laser beam in the widely used Optical Beam Deflection method (OBDM).

Coupled electro-mechanical response of an electroactive polymer cantilever structure and its application in energy harvesting

Ionic polymer-metal composites (IPMC), piezoelectric polymer composites and nematic elastomer composites are materials, which exhibit characteristics of both sensors and actuators. Large deformation and curvature are observed in these systems when electric potential is applied. Effects of geometric non-linearity due to the chargeinduced motion in these materials are poorly understood. In this paper, a coupled model for understanding the behavior of an ionic polymer beam undergoing large deformation and large curvature is presented. Maxwell's equations and charge transport equations are considered which couple the distribution of the ion concentration and the pressure gradient along length of a cantilever beam with interdigital electrodes. A nonlinear constitutive model is derived accounting for the visco-elasto-plastic behavior of these polymers and based on the hypothesis that the presence of electrical charge stretches/contracts bonds, which give rise to electrical field dependent softening/hardening. Polymer chain orientation in statistical sense plays a role on such softening or hardening. Elementary beam kinematics with large curvature is considered. A model for understanding the deformation due to electrostatic repulsion between asymmetrical charge distributions across the cross-sections is presented. Experimental evidence that Silver(Ag) nanoparticle coated IPMCs can be used for energy harvesting is reported. An IPMC strip is vibrated in different environments and the electric power against a resistive load is measured. The electrical power generated was observed to vary with the environment with maximum power being generated when the strip is in wet state. IPMC based energy harvesting systems have potential applications in tidal wave energy harvesting, residual environmental energy harvesting to power MEMS and NEMS devices.