Mikro- und Nanostrukturierte Kunststoffoberfläche

Kombinierte Mikro- und Nanostrukturierung von Kunststoffen

Die rasante Entwicklung der organischen Chemie hat zu hochwertigen Kunststoffen geführt, die speziell für unterschiedlichste Anwendungsfälle entwickelt wurden und werden. Neben den optimierten Festkörpereigenschaften der Kunststoffe wird die Anpassung der Oberflächeneigenschaften immer wichtiger, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können.

Die Oberflächenmodifizierung von Kunststoffen, wie z.B. die funktionelle Nass- und Lösungsmittelbeschichtung, die Plasmaoberflächenbehandlung oder auch die Zugabe von an die Oberfläche diffundierenden Additiven zum Bulkmaterial, ist für eine Vielzahl von Kunststoffanwendungen zwingend notwendig.

Besonders im Bereich der Verpackungsindustrie sind die Oberflächeneigenschaften der technischen Folien und Stretchfolien aus Polyethylen (PE) für die ordnungsgemäße Erfüllung ihrer Funktion essentiell.

Eine verbesserte Haftung von Druckfarben und Beschichtungen für Etiketten- und Kaschierfolien, eine Optimierung der Ablöseeigenschaften von Schutzfolien und eine allgemeine Optimierung des Abwickelverhaltens von Folien bei immer höheren Geschwindigkeiten pro Rolle sowie die Selbst-Adhäsion von Stretchfolien (Autohäsion) stellen dabei die wichtigsten Anwendungsgebiete dar.

In einem weiteren Marktbereich funktionell beschichteter Folien, den fotografischen Filmen, ist die Haftung der aufgebrachten Mehrschichtsysteme besonders wichtig. Trotz der weitgehenden Datendigitalisierung sind Silberhalogenidfilme bei Langzeitarchivierung von Bibliotheks- und Archivbeständen nicht zu ersetzen. Silberhalogenidfilme sind das einzige Medium, das nach entsprechenden Berechnungen eine Haltbarkeit von über 500 Jahren erwarten lässt. Die Haltbarkeit dieser Filme hängt jedoch neben den vorherrschenden Lagerbedingungen erheblich von der Adhäsion zwischen den fotografischen Emulsionsschichten (Schichtdicke zwischen 0,1-10 μm) und dem Filmträger Polyethylenterephthalat (PET) ab.

Aus den beiden beispielhaft genannten Anwendungsfeldern ergibt sich ein konkreter Bedarf für neue Herangehensweisen bei der komplexen chemischen und physikalischen Gestaltung von Kunststoffoberflächen.


    
  Rasterelektronenmikroskopaufnahmen mikro- und nanostrukturierter Kunststoffe

 

Basierend auf diesem Industriebedarf wurde am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS im Rahmen der anwendungsorientierten Grundlagenforschung gezielt nach neuen Verfahren zur Oberflächenmodifizierung gesucht. Durch die Verbindung von langjährigen Erfahrungen zur Herstellung von nanostrukturierten Oberflächen sowie zur Kunststoffoberflächenmodifizierung konnte ein neues Verfahren für die kombinierte Mikro- und Nanostrukturierung von Kunststoffoberflächen entwickelt und patentiert werden.

Der innovative Kern dieser neuen Technologie ist die Erzeugung eines gleichzeitig mikro- und nanostrukturierten Prägewerkzeugs. Dies wurde durch die Kombination eines Mikrostrukturierungs- mit einem Nanostrukturierungsverfahren erreicht. Das Prägewerkzeug besitzt eine Aluminiumoxidbeschichtung mit einer Strukturierung in zwei Strukturgrößenordnungen – Mikrostrukturierungen mit Strukturabständen zwischen 0,5 und 1000 μm und Strukturtiefen zwischen 0,5 und 50 μm sowie Nanostrukturen mit Größen von 10 bis 450 nm (Porendurchmesser) und 0,5 μm bis mehrere 100 μm (Porenlänge). Die Nanostrukturen zeichnen sich durch hochgeordnete oder stochastisch verteilte Porenstrukturen mit parallelen Porenkanälen aus.

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