Debonding of viscoelastic materials : from a viscous liquid to a soft elastic solid

Abstract

In the present experimental study, we investigate the transition in the debonding mechanism when going from a viscous liquid to a soft elastic solid using a probe tack geometry. We have developed a model system consisting of PDMS with different degrees of crosslinking, ensuring a continuous transition between the material classes. During debonding, a fingering instability with characteristic wavelength evolves. We explain the subsequent coarsening of the pattern for a Newtonian oil by linear stability analysis and identify the influence on the adhesion energy. Over a wide range of properties from liquid to solid, we present a quantitative description of the initially destabilizing wavelength for the observed interfacial and bulk mechanisms. We predict the transition between these mechanisms from linear viscoelastic and surface properties. Furthermore, we investigate the debonding quantitatively in terms of adhesion energy and maximum deformation. For interfacial debonding, we are able to explain the speed dependence in the adhesion energy by bulk properties only and confirm thus over two decades in the elastic modulus an existing empiric law. Adapting a recent 3D technique, we visualize for the first time in situ the contact line between viscoelastic material and rigid probe in three dimensions and provide thus direct access to the boundary conditions.

In der vorliegenden experimentellen Studie untersuchen wir den Ablöseprozess in einer Probe-Tack-Geometrie während des Übergangs von einer viskosen Flüssigkeit zum elastischen weichen Festkörper. Wir entwickeln ein Modellsystem (PDMS mit verschiedenen Vernetzungsgraden), das einen kontinuierlichen Übergang zwischen diesen Substanzklassen aufweist. Während des Ablösens entsteht eine Fingerinstabilität mit charakteristischer Wellenlänge. Für ein Newtonsches Öl erklären wir durch lineare Stabilitätsanalyse das nachfolgende Coarsening der Strukturen und zeigen ihren Einfluss auf die Adhäsionsenergie auf. Über einen weiten Bereich der Materialeigenschaften von flüssig zu fest beobachten wir Bulk- oder Grenzflächenmechanismen und präsentieren eine quantitative Analyse der jeweiligen anfänglichen Wellenlänge. Den Übergang zwischen diesen Mechanismen sagen wir anhand linearer Viskoelastizität und Oberflächeneigenschaften voraus. Ferner untersuchen wir das Ablösen quantitativ anhand der Adhäsionsenergie und der maximalen Verformung. Im Falle des Grenzflächenmechanismus erklären wir die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Adhäsionsenergie durch Volumeneigenschaften und bestätigen damit ein existierendes empirisches Gesetz. Indem wir eine neue 3D-Technik weiterentwickeln, bilden wir zum ersten Mal in situ die Kontaktlinie zwischen viskoelastischem Material und festem Substrat in drei Dimensionen ab. Damit ermöglichen wir einen direkten Zugang zu den Randbedingungen.