Kunststoffprägung und Atmosphärendruck-Plasmaverfahren

Kombination von Prägung und Beschichtung bei Atmosphärendruck

Dort, wo Proteine auf Oberflächen adsorbieren, bilden sich oft Biofilme. Um dies zu unterbinden, wird am Fraunhofer IST ein neuer Kombinationsprozess für Kunstofffolien entwickelt, der eine Benetzung der Oberfläche mit proteinhaltigen Lösungen verhindert. Dazu wird die Oberflächentopographie von Kunststofffolien nach dem Vorbild des Lotusblatts modifiziert, indem eine Mikrotexturierung erfolgt, die mittels spezieller Masken übertragen wird. Die Herstellung dieser kostengünstigen mikrostrukturierten Masken erfolgt in Zusammenarbeit mit der GRT GmbH & Co. KG. Am Fraunhofer IST wird dann in einem nachfolgenden Schritt mittels Atmosphären­druck-Plasmaverfahren eine hydrophobe Deckschicht abgeschieden.

Oberflächenbehandlung

Die Abformung einer definierten Mikrostruktur auf kostengünstige Kunststofffolien erfolgt mit einer Prägemaske in Form einer gravierten 130 µm dicken Metallfolie, die durch hochauflösende Stichel- oder Lasergravur mit definierten Abstands- und Höhenparametern hergestellt wird. Der Prägeprozess wird durch Variation der Parameter Druck und Temperatur so eingestellt, dass ein vollständiger Strukturübertrag der Maske auf die Kunststofffolie erfolgt, ohne diese zu beschädigen. In vorherigen Versuchen wurde die Texturierung durch Abscheidung von schwach gebundenen SiOx-Partikeln mit Atmosphärendruckplasma erreicht. Im Gegensatz zu Oberflächentopographien, die durch Aufbringung einer Zwischenschicht erzeugt werden, besitzt die Texturierung, die durch Prägung der Oberfläche der Kunststofffolie entsteht, eine deutlich höhere mechanische Stabilität.

Das Äquivalent der wachsartigen Schicht, mit der das Lotusblatt über seiner speziellen Strukturierung ausgestattet ist, ist im Fall der Folie eine hydrophobe Schicht. Diese wird mittels dielektrisch behinderter Entladung bei Atmosphärendruck aufgebracht und ist so dünn, dass die Konturen der unterliegenden Struktur bei der Beschichtung erhalten bleiben. Mittels solcher hydrophoben Beschichtungen werden auf glatten Substraten Kontaktwinkel von 120 ° erreicht. Durch die optimale Kombination der mikrotexturierten Kunststoffoberfläche mit der hydrophoben Beschichtung erhält man superhydrophobe Oberflächen mit Kontaktwinkel von mehr als 150 °. Dadurch wird nicht nur eine Benetzung mit Wasser, sondern auch mit Kulturmedien erfolgreich unterbunden.

Anwendungen

Die Benetzung von Kunststoffoberflächen ist für verschiedene Einsatzgebiete von entscheidender Bedeutung. Beispielweise werden in der Medizintechnik je nach Anwendung Ober­flächen mit unterschiedlichem Benetzungsverhalten benötigt. Durch eine geeignete Strukturierung der Kunststoffsubstrate können je nach Beschichtung superhydrophobe oder super­hydrophile Oberflächeneigenschaften eingestellt werden.

Ausblick

Ein Thema für die Zukunft ist die Kombination von Kunststoffprägung und Atmosphärendruck-Plasmaverfahren nicht nur zur Herstellung flacher, sondern auch dreidimensionaler Substrate. Dazu muss der Strukturierungsprozess entsprechend angepasst werden. Geplant ist, diese 3D-Objekte aus Silikon, Kunststoff oder Epoxidharzen durch spezielle Gieß- oder Präge­verfahren herzustellen. Die dabei notwendigen komplexen Formen müssen dazu mit den entsprechenden Strukturen ausgestattet sein. In einem nachfolgenden Schritt können die geformten Bauteile dann wiederum beschichtet werden. Die Beschichtung von 3D-Substraten mittels Atmosphärendruckplasmen konnte am Fraunhofer IST bereits erfolgreich demonstriert werden.

 

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