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

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.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 und Imprägnierung von Polyester Materialen mit Soil-Release-Polymeren auf die Topographie, Benetzbarkeit und Auswaschbarkeit für die drei wichtigsten Gewebearten untersucht, welche die gleiche Anzahl von Schussfäden haben. Für die Charakterisierung des Anschmutzungsverhaltens von Textilen wurde eine so genannte Fleck-Analysierungsmethode (spot analysis method) vorgeschlagen, welche es erlaubt, benetzungsdynamische Eigenschaften von Flüssigkeiten an Oberflächen mit anisotroper Topographie zu studieren. Diese Methode ist geeignet auch für Oberflächen mit anisotropen Rauheitsstrukturen und für poröse Materialien. Der Effekt von Waschen/Trocken-Zyklen auf die Topographie, Spreitung, Benetzung und Anschmutzung von Leinwandgewebe und Gestricke aus Baumwolle wurde zusätzlich untersucht. In allen Spezialfällen diente die topographische Charakterisierung und die Interpretation der Ergebnisse auf verschiedenen Längenskalen zur besseren Verständnis von Benetzungsphänomenen. Ein mathematisches Modell für die virtuelle Konstruktion von textilen Oberflächen wurde entwickelt, die das Studium der Effekte infolge topographischer Änderungen auf das Verhalten von Polymer- und Textiloberflächen ermöglicht. Oberflächen von Leingeweben und duromeren Verbundwerkstoffsystemen wurden mit der Fourier-Synthese unter Zuhilfenahme verschiedener harmonischer Wellen mathematisch abgebildet. Die Topographie- und Konstruktionsparameter wurden bei der Fourier-Synthese zur Konstruktion virtueller Topographien genutzt. Im Falle der textilen Materialein wurde der Effekt von Waschen/Trocknen-Zyklen für die Baumwolltextilien sowie der Thermofixierung von Polyestertextilien auf ihre Meso- und Mikromorphologie auf der Basis gemessener Parameter für jede Topographie modelliert. Dieses Modell erlaubt auch die Vorhersage der Änderungen in der Porosität von resultierenden textilen Strukturen, ihres Benetzungs- und Anschmutzungsverhaltens. Mit dieser Methode ist es möglich, gewünschte Änderungen von textilen Konstruktionsparametern einzustellen und ihre Effekte auf die Topographie zu untersuchen

Topographical effects of 02- and NH3-plasma treatment on woven plain polyester fabric in adjusting hydrophilicity

Hydrophilisation of polyester textile materials has been investigated over the last twenty years using low-pressure and atmospheric plasmas. According to these studies, wettability and capillarity of fabrics can be significantly improved depending on the process gas used. In the present study, the effects of low pressure O2- and NH3- plasma on the morphology and topometry of fabrics on four different length scales, as well as the influence of the topographical changes of textile structures on the resulting water spreading and absorption rates were investigated. The results of the topographic characterisation using two non-contact optical methods and wettability measurements indicate that the modification of filament nano-topography cannot satisfactorily explain the drastic changes observed in wettability. Dimensional changes (relaxation and shrinkage) as well as changes in warp morphology and inter-yarn spaces are more decisive for inducing hydrophilicity in polyester woven plain fabrics than an increase in the surface nano-roughness of their filaments

Volumetrical Characterization of Sheet Molding Compounds

For a comprehensive study of Sheet Molding Compound (SMC) surfaces, topographical data obtained by chromatic confocal imaging were submitted systematically for the development of a profile model to understand the formation of cavities on the surface. In order to qualify SMC surfaces and to predict their coatability, a characterization of cavities is applied. To quantify the effect of surface modification treatments, a new parameter (Surface Relative Smooth) is presented, applied and probed. The parameter proposed can be used for any surface modification of any solid material

Advances for the Topographic Characterisation of SMC Materials

For a comprehensive study of Sheet Moulding Compound (SMC) surfaces, topographical data obtained by a contact-free optical method (chromatic aberration confocal imaging) were systematically acquired to characterise these surfaces with regard to their statistical, functional and volumetrical properties. Optimal sampling conditions (cut-off length and resolution) were obtained by a topographical-statistical procedure proposed in the present work. By using different length scales specific morphologies due to the influence of moulding conditions, metallic mould topography, glass fibre content and glass fibre orientation can be characterized. The aim of this study is to suggest a systematic topographical characterization procedure for composite materials in order to study and recognize the influence of production conditions on their surface quality

Topographical Anisotropy and Wetting of Ground Stainless Steel Surfaces

Microscopic and physico-chemical methods were used for a comprehensive surface characterization of different mechanically modified stainless steel surfaces. The surfaces were analyzed using high-resolution confocal microscopy, resulting in detailed information about the topographic properties. In addition, static water contact angle measurements were carried out to characterize the surface heterogeneity of the samples. The effect of morphological anisotropy on water contact angle anisotropy was investigated. The correlation between topography and wetting was studied by means of a model of wetting proposed in the present work, that allows quantifying the air volume of the interface water drop-stainless steel surface

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

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.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 und Imprägnierung von Polyester Materialen mit Soil-Release-Polymeren auf die Topographie, Benetzbarkeit und Auswaschbarkeit für die drei wichtigsten Gewebearten untersucht, welche die gleiche Anzahl von Schussfäden haben. Für die Charakterisierung des Anschmutzungsverhaltens von Textilen wurde eine so genannte Fleck-Analysierungsmethode (spot analysis method) vorgeschlagen, welche es erlaubt, benetzungsdynamische Eigenschaften von Flüssigkeiten an Oberflächen mit anisotroper Topographie zu studieren. Diese Methode ist geeignet auch für Oberflächen mit anisotropen Rauheitsstrukturen und für poröse Materialien. Der Effekt von Waschen/Trocken-Zyklen auf die Topographie, Spreitung, Benetzung und Anschmutzung von Leinwandgewebe und Gestricke aus Baumwolle wurde zusätzlich untersucht. In allen Spezialfällen diente die topographische Charakterisierung und die Interpretation der Ergebnisse auf verschiedenen Längenskalen zur besseren Verständnis von Benetzungsphänomenen. Ein mathematisches Modell für die virtuelle Konstruktion von textilen Oberflächen wurde entwickelt, die das Studium der Effekte infolge topographischer Änderungen auf das Verhalten von Polymer- und Textiloberflächen ermöglicht. Oberflächen von Leingeweben und duromeren Verbundwerkstoffsystemen wurden mit der Fourier-Synthese unter Zuhilfenahme verschiedener harmonischer Wellen mathematisch abgebildet. Die Topographie- und Konstruktionsparameter wurden bei der Fourier-Synthese zur Konstruktion virtueller Topographien genutzt. Im Falle der textilen Materialein wurde der Effekt von Waschen/Trocknen-Zyklen für die Baumwolltextilien sowie der Thermofixierung von Polyestertextilien auf ihre Meso- und Mikromorphologie auf der Basis gemessener Parameter für jede Topographie modelliert. Dieses Modell erlaubt auch die Vorhersage der Änderungen in der Porosität von resultierenden textilen Strukturen, ihres Benetzungs- und Anschmutzungsverhaltens. Mit dieser Methode ist es möglich, gewünschte Änderungen von textilen Konstruktionsparametern einzustellen und ihre Effekte auf die Topographie zu untersuchen