29. Dresdner Vakuumtechnisches Kolloquium

Beschichtung, Modifizierung und Charakterisierung von Polymeroberflächen

Unter der traditionellen Gesamtthematik Beschichtung, Modifizierung und Charakterisierung von Polymeroberflächen ging es am 6. und 7. November 2024 beim 29. Neuen Dresdner Vakuumtechnischen Kolloquium (NDVaK) vorrangig darum, Möglichkeiten der kunststoff­orientierten Oberflächen­technologien unter dem Aspekt von Material- und Prozesseffizienz, von Umweltverträglichkeit und Recycling aufzuzeigen und zu diskutieren. Bei der Veranstaltung mit dem Schwerpunkt Kunststoffe und Oberflächen im Spannungsfeld des Klimawandels wurden 22 Vorträge und Poster präsentiert.

Die Veranstaltung war eine Kooperation von Creavac – Creative Vakuumbeschichtung GmbH, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF), Europäischer Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. (EFDS), dem GRAVOmer-Partner scia Systems GmbH und der Deutschen Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. (DFO) und fand in bewährter Weise unter Mitwirkung der Firma Coat­ing-Consulting im IPF statt.

Recycling ist Reduzierung der Umweltbelastung

Abb. 1: Recycling-Anlage bei Hansgrohe vom Hersteller ImpulsTec: Recycling von galvanisierten Kunststoffteilen (Foto: Hansgrohe)Der erste Vortragsblock des Kolloquiums widmete sich dem Recycling von beschichteten Kunststoffteilen. Nachdem in der Vergangenheit große Fortschritte bei der haftfesten Beschichtung von Kunststoffen erreicht wurden, entsteht beim Recyceln nun das Problem, die eingesetzten Werkstoffe in effizienter Weise wieder zu separieren, um sie in hoher Qualität dann der weiteren Verwertung zuzuführen. Speziell für metallisiertes ABS erweist sich die Schockwellentechnologie als besonders geeignet, den Haftverbund aufzubrechen und die Bestandteile des Materialverbunds zu separieren. David Zapf berichtete detailliert über eine leistungsfähige Anlage für galvanisch beschichtete ABS-Produkte, die bei Hansgrohe SE, Offenburg, entwickelt wurde. Die Prozessschritte wurden beschrieben, das ABS-Rezyklat IR-spektroskopisch analysiert, seine mechanischen Eigenschaften mit denen von Neuware verglichen und die Qualität der Beschichtung des rezyklierten Materials bewertet. Die Ergebnisse unterscheiden sich nur geringfügig. Das chemikalienfreie Verfahren liefert eine Reinheit des Rezyklats von 99,8 %.

Die ImpulsTec GmbH, Radebeul, entwickelt und vertreibt Ausrüstungen für die elektrohydraulische Schockwellenfragmentierung unterschiedlicher komplexer Industriematerialien. Stefan Eisert zeigte die überzeugende Leistungsfähigkeit der Anlagen für metallisiertes ABS und für Solarmodulabfall (Abb. 1).

Felix Heinzler stellte die 2023 gegründete remap GmbH, Solingen, mit dem Geschäftsfeld Ankauf, Aufbereitung und Verkauf von Kunststoffen und Metallen vor. Mit dem in der BIA Group entwickelten Verfahren können mit Echtmetall galvanisierte ABS-Erzeugnisse aus dem Industrie- und Consumer-Bereich mit einem so hohen Reinheitsgrad recycelt werden, dass sie 30 % der Neuware ersetzen können und damit die sehr hohen Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie erfüllen. Der CO₂-Fußabdruck kann auf unter 5 % im Vergleich zu Neuware gesenkt werden. Die Fragmentierung erfolgt durch Schreddern und Magnetabscheidung.

An den gängigen Recyclingverfahren – nicht nur für Kunststoffe – sind Vakuumanwendungen für Transport, Trocknung, Extrusion, Compoundierung, Destillation, Pyrolyse u. a. beteiligt. Dazu werden hinsichtlich Saugleistung und Langlebigkeit angepasste Vakuumerzeuger benötigt. Mark Redmann, Busch Dienste GmbH, Maulburg, referierte über Vakuumsysteme für mechanisches Recycling und deren Effizienzsteigerung. Dabei wird zunehmend Wert auf intelligente Steuerungsregime gelegt.

Volker Reichert erläuterte das Sandwich-Spritzgießverfahren, mit dem Thermoplast-Formteile wirtschaftlich aus zwei verschiedenen Schmelzen hergestellt werden können. So können Erzeugnisse mit einer Oberfläche aus einem hochwertigen funktionalen oder dekorativen Kunststoff mit einem Kern aus einem Rezyklat kostengünstiger und mit vermindertem CO₂-Fußabdruck hergestellt werden. Die erforderliche Maschinentechnik wurde vorgestellt. Die A&E Produktionstechnik GmbH, Dresden, entwickelt und fertigt dafür Baugruppen für alle marktüblichen Spritzgießmaschinen. Vorteile und Grenzen dieser Technologie wurden diskutiert.

Aktive Oberflächen

Kohlenstoff-Nanomembranen (CNMs) – ein auf Kohlenstoff beruhendes 2D-Schichtmaterial – können auch auf Kunststoffe aufgebracht werden und deren Oberflächen funktionalisieren. Albert Schnieders, CNM Technologies GmbH, Bielefeld, beschreibt die Herstellung derartiger Folien und zeigt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von CNMs vorzugsweise als Filter in der Lebensmittel-, Duft- und Aromaindustrie und bei der Wasseraufbereitung, in Medizin und Pharmazie und bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen, Sensoren, Batterien und Brennstoffzellen. Es wurden viele weitere realisierte und denkbare Anwendungen gezeigt.

» Kohlenstoff-Nanomembranen können auch auf Kunststoffe aufgebracht werden und deren Oberflächen
funktionalisieren. «

Der Vortrag von Gulnara Konkin, Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V., Rudolstadt, gab einen Überblick über elektrochrome (EC) Materialien und widmete sich dann der Entwicklung von neuen organischen Verbindungen, sogenannten Polynorbornenen, mit elektrochromen Eigenschaften.

Technologien für die Fertigung elektrochromer Verglasungen wurden beschrieben. Die dafür synthetisierten neuen Polymere absorbieren gleichmäßig Licht im gesamten visuellen Wellenlängenbereich, sind löslich und filmbildend und somit für die Nassbeschichtung von Folien geeignet. Diese erfolgt mit der Laborbeschichtungsanlage LBA 200. Schließlich wurde der Aufbau elektrochromer Zellen mit den neuen Polymeren sowie mit angepassten Festelektrolyten beschrieben. Diese EC-Zellen werden durch kombinierte elektrochemische und optische Messungen charakterisiert. Die beschriebenen Ergebnisse wurden im Rahmen des Förderprojekts „ElchFen“ erarbeitet.

Heinrich Grünwald, Surface Chem­istry, Niddatal, ging zunächst von bekannten, auch aus Gründen des Umwelt- und Ressourcenschutzes vor-teilhaften Anwendungen dünner Schichten aus, die unter Einwirkung eines Niedertemperaturplasmas durch sog. „Plasmapolymerisation“ hergestellt werden. Dabei werden häufig Substanzen eingesetzt, die ohne Plasma nicht polymerisieren würden. Diesem Verfahren wird die Schichtabscheidung durch plasmainduzierte Polymerisation von radikalisch polymerisierbaren Verbindungen unter Plasmaeinwirkung gegenübergestellt. Dabei lässt man ein Inertgasplasma entweder direkt auf die Oberfläche eines flüssigen Monomers wirken oder erst nach einer Aktivierung des Substrats in einem Inertgasplasma. Bei Letzterem ist es möglich, Kunststoffsubstrate mit chemisch definierten Polymeren zu „pfropfen“, sofern freie Radikalstellen ausbildet wurden. Es wurden Forschungsergebnisse beteiligter Mitautoren und eine Fülle bekannter und denkbarer Anwendungsmöglichkeiten durch Plasma-pfropfung funktionalisierter Kunststoffe diskutiert, so speziell für die gezielte plasmainduzierte Pfropfung von PE-, PEEK- bzw. PS-Substraten.

Volker Weihnacht, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, zeigte, wie mit der Laser-Arc-­Technologie in einem vakuumbasierten Prozess unter den beschrie­benen Bedingungen super-har­ter diamantähnlicher tetragonaler amorpher Kohlenstoff (ta-C) mit Dicken bis zu 20 µm haftfest auf PE, PEEK und PA abgeschieden werden kann. Trocken laufende Zahnrad-Paarungen aus PEEK + ta-C erreichten eine vierfache Standzeit gegenüber unbeschichteten. Für biomedi-zinische und Implantatanwendungen ist die Reduzierung der Verschleißpartikel wichtig. Dotierte ta-C:X-Schichten können an spezielle Anwendungen angepasst funktionali-siert werden, was ein großes Potenzial für elektrochemische und sensorische Anwendungen auf Kunststoff eröffnet.

Mit multifunktionalen Polymerschichten kann das Anwendungsspektrum kommerzieller Produkte erweitert werden. Alexander Münch, Leibniz‐Institut für Polymerforschung Dresden e. V., zeigte das am Beispiel einer Easy-to-clean-Beschichtung auf der Basis entwickelter neuartiger zwitterionischer Phosphorylcholingruppen (MPC). So behandelte Oberflächen können mit reinem Wasser und ohne waschaktive Substanzen von öligen Verschmutzungen umweltfreundlich und energie- und zeitsparend gereinigt werden. MPC-Schichten wirken auch vereisungshemmend. Neben dem Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurde die Einbindung in bestehende Beschichtungstechnologien und für an-wendungsrelevante Substrate (Folien, Metalle, Sol-Gel-Schichten) und das Upscaling der Polymermengen sowie die Verbesserung der Schichtstabilitäten behandelt.

Der Vortrag von Stefan Saager vermittelte einen Einblick in die Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer-­Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Dresden, für eine kostengünstige und serientaugliche Fertigung langlebiger Bipolarplatten (BPP) für Brennstoff- und Elektro­lysezellen. Er ging vom Stand der Technik aus und widmete sich dann vorzugsweise der Herstellung Titan-beschichteter Edelstahlbänder für BPP von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-FC). Dafür wurden 250 mm breite und 100 µm dicke Folien im Plasma vorbehandelt und dann 100 nm Titan mittels Hochleistungselektronenstrahlbeschichtung (EB-PVD) mit und ohne zusätzliche Arc-Plasma­aktivierung (SAD) – alles bei einer Prozessgeschwindigkeit von 10 m/min – beschichtet. Die flexible R2R-Anlage mit Transport-, Vorbehandlungs-, Beschichtungs- und Nachbehandlungsstufen wurde beschrieben. Vergleichende FE-SEM- und XRD-Analysen zeigen, dass nur mit SAD dichte, duktile und nanokristalline und bei 180°-Biegeversuchen bruchfreie Schichten entstehen. Diese Technologie eignet sich auch für Polymermembranen.

Maximilian Wand, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht, Oberhausen, schloss mit aktuellen Forschungsprojekten bei Komposit-BPP mit dem Fokus auf deren Oberflächenmodifikation an. Es wurde gezeigt, dass die herstellungsbedingte polymerreiche Schicht auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials durch Laser-Ablation an den Kontaktflächen der BPP zur Membran-Elektrolyt- Anordnung (MEA) entfernt und der elektrische Widerstand zur MEA (Membran-Elektrolyt-Anordnung) erniedrigt wird. Die für das Wasser- und Temperaturmanagement wichtige Hydrophobie wird durch Einbringen von Mikrorillen (bis zu 75 µm) erhöht. Die Auswirkungen auf die mechanische Stabilität des Systems sind gering.

Yashas Shivakumar, Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e.V., Greiz, zeigte, wie Textilien mittels Pulverbeschichtung, Siebdruck und additiver Fertigung in vielfältiger Weise funktionalisiert werden können. Eine Mischung aus Thermoplastischem Polyurethan(TPU)-Pulver und entsprechenden Zusätzen wird mittels CO₂-Laser bzw. thermisch auf dem Textil flexibel fixiert. Es können damit z. B. elektrische, magnetische, phosphoreszierende sowie thermo- und elektrochrome Beschichtungen realisiert werden, die auch die üblichen Beanspruchungen an Textilien überstehen. Anwendungsbeispiele wurden diskutiert.

Biopolymere, Material und Prozesseffizienz

Cor Schrauwen (Zuyd University of Applied Sciences, Elst) knüpfte an Ergebnisse des EU-Projekts Flexocoat an und zeigte an zahlreichen Beispielen das Potenzial der Physikalischen Dampfabscheidung (PVD) speziell in kleinen und mittleren Unternehmen, wo es noch immer Kenntnislücken bei der Nutzung dieser Technologie gibt. Das betrifft besonders die Vorteile durch Kombination mit anderen Beschichtungsverfahren. Hier bietet sich ein breites Feld für Technologietransfer an. Der wiederum ist das Aufgabenfeld der KET-Market GmbH, Dresden, u. a. auch auf dem Gebiet der Vakuum-Dünnschicht­technik. André Wahl stellte das europaweit agierende Unternehmen als digitalen Marktplatz für Technologie vor. So ist es Single-Entry-Point von zwei Open Innovation Test Beds der EU, nämlich Vakuumbeschichtung von Kunststoff- und Papierbahnen für organische Solarzellen (FlexFunction2Sustain) und für Kreislauf­innovationen (Convert2Green), z. B. für intelligente Textilien, medizinische Verpackungen und Automobilteile.

» Die Physikalische Dampfabscheidung
bietet durch Kombination mit anderen Beschichtungsverfahren viele Vorteile. «

Nataliya Kiriy, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V., Dresden, berichtete über die Entwicklung von neuartigen Methacrylatharzen (IPrXF DMA und GalX Me DMA) unter Verwendung von kommerziellem biobasiertem GaIX und IPrXF. Sie härten schon bei 100 bis 110 °C aus und sind dann außergewöhnlich temperaturstabil. Sie übertreffen bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften das kommer-zielle UMA21. Sie sind gegenüber enzymatischem Abbau sehr stabil und ausgezeichnet chemisch beständig. Sie weisen auch hervorragende Filmbildungseigenschaften auf. Die Beschichtungen sind transparent, farblos, haftfest und sehr glatt (RMS < 2 nm). Dieses Material ist vielversprechend für langlebige und umweltschonende duroplastische Beschichtungen für vielseitige Anwendungen.

Abb. 2: Elektronenstrahlanlage REAMODE des Fh-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Dresden zur Modifizierung von organischen Materialien (Foto: FEP)Um autologe Zellen auf biokompatiblem Poly-ε-caprolacton (PCL) für Herzklappen zu kultivieren, müssen dessen Oberflächeneigenschaften optimiert werden. Holger Kersten, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, IEAP/AG PlasmaTechnologie, berichtete, dass die Behandlung des Materials in einem anisothermen N₂-H₂-Hochfrequenzplasma ein vielversprechender Ansatz ist. Auf der Polymeroberfläche werden funktionelle NH_x-Gruppen gebildet, die Zell­adhäsion und damit das Zellwachstum verbessern, ohne das Substrat zu schädigen. Benetzung und Zellbesiedlung wurden in Abhängigkeit typischer Plasmaparameter untersucht.

Tobias Teichmann, Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Dresden, stellte Ergebnisse des Forschungsprojekts „ARA“ zum Abbau von gefährlichen Arzneimittelrückständen in pharmazeutischen Abwässern vor. In einem hybriden Behandlungsmodul wurde die Bestrahlung eines dünnen Flüssigkeitsstroms mit niederenergetischen Elektronen (bis 300 keV) mit einer Ozonbehandlung kombiniert. Nach einem entsprechenden Upscaling ist damit die lokale Vorreinigung der Abwässer von Punktemittenten wie Krankenhäusern und Pharmaunternehmen energieeffizient und wirtschaftlich möglich. Die transformierten Mikroschadstoffe können von einer nachgeschalteten Kläranlage besser abbaubar gemacht werden. Der gegenüber bekannten Verfahren überlegene Behandlungserfolg wurde anhand ausgewählter Testsubstanzen demonstriert. Die biologische Abbaubarkeit der Transformationsprodukte wurde in einer Laborkläranlage untersucht. Die Ausdehnung auf Abwässer der chemischen Industrie und der Landwirtschaft wird erwogen (Abb. 2).

Elisa Kutschke zeigte die Potenziale der Nano-Imprint-Lithografie (NIL) zur Herstellung individuell gestalteter und funktionaler Oberflächen und betrachtete speziell die Verwendung von elektronenstrahlvernetzenden Lacken auf Folien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Die Erzeugung nieder­energetischer Elektronen und die Anlagentechnik bis hin zur Quali-tätsprüfung wurden beschrieben. Die Verwendung polymerer (u. a. vakuumtechnisch beschichteter) Proben angepass­ter Dicke sowie additiv gefertigter Matrizen ermöglicht eine ressourceneffiziente, kostengünstige und flexible Herstellung strukturierter Oberflächen, z. B. für optische und mikrofluidische Anwendungen und für Labs-on-a-Chip. Eine wirtschaftliche Abwärmenutzung mittels thermoelektrischer Wandler erfordert eine kostengünstige hochproduktive Fertigung von thermoelektrischen Modulen (TEM), wie es sie derzeit nur in China und Russland gibt. Das laufende BMW-Projekt ProTEM hat daher die Entwicklung einer automatisierten industriellen Produktion von Hochtemperatur-TEM aus neuen effizienten und umweltfreundlichen Materialien zum Ziel. Vicente Pacheco, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Dresden, beschrieb die Prozessschritte in der ProTEM-Produktionslinie von der Pulverherstellung bis hin zur Konfektionierung, darunter die vakuumtechnische Abscheidung der für die thermische Langzeitstabilität entscheidenden Diffusionsbarriere zwischen TEM-Schenkel und Lot. Als TE-Material wird Mg2Si0.4Sn0.6 p-MnSi1.81 (p-Mg2Si0.4Sn0.6 in Arbeit) eingesetzt.

Auf Postern informierten Moritz Reinhardt und Cordelia Zimmerer (Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.) über siliziumorganische Hybridverbindungen für eine fluorfreie wasser- und ölabweisende Ausrüstung von Oberflächen und Ronja Bodesheimer (Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. bzw. TU Dresden) über industriell einsetzbares biobasiertes Dopamin als Haftvermittler für die PVD-Metallisierung von PE, ABS, PA 6.6, PBT und PET.