Mit der richtigen Oberfläche werden Werkstoffe noch effizienter
Neben der Beschichtung von Metallen gehört die Eigenschaftsverbesserung von Kunststoffen mit zu den wichtigsten Aufgaben der Oberflächentechnik. Deshalb wird das Themenfeld nicht nur auf den Messeständen der Hannover Messe, sondern am 5. April auch mit einem speziellen Vortragstag auf dem Forum Surface Technology in Halle 6 präsent sein.
In der Oberflächentechnologie spielen Kunststoffe eine Doppelrolle: Entweder wird der leichte Werkstoff mit einer funktionalen Schicht versehen oder das Polymer selber dient als Beschichtungsmaterial. Dann reichen oft wenige nanometerdünne Kunststofffilme aus, um das Erscheinungsbild von Oberflächen und wichtige Gebrauchsmerkmale von Materialien zu optimieren.
Die Eigenschaften von Kunststoffbeschichtungen lassen sich sogar beliebig hin- und herschalten. So kann laut Petra Uhlmann, Wissenschaftlerin vom Leibniz-Institut für Polymerforschung, Dresden, beispielsweise ein Oberflächenfilm – abhängig von seinem Schaltzustand – Wasser abweisen oder anziehen. Die Oberflächeneigenschaft lässt sich so von hydrophob auf hydrophil umstellen.
„Um derartige Schichten zu erzeugen, werden zwei verschiedene Polymere mit einem Ende fest an den Träger gebunden, die sich – abhängig von den äußeren Bedingungen – auf molekularer Dimension wechselseitig an der Oberfläche anreichern und so die Eigenschaften durch eine dünne Oberflächenschicht des jeweils einen oder anderen Materials bestimmen“, erklärt die Wissenschaftlerin. Sie wird in Hannover am 5. April „Intelligente polymere Nanobeschichtungen“ vorstellen. Der Schaltprozess lasse sich durch äußere Einflüsse wie bestimmte Lösungsmittel, pH-Wert oder Temperatur auslösen und bedinge die rein physikalische Umlagerung der Moleküle. Uhlmann: „Solche Oberflächen bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten z. B. für die gezielte Veränderung der Benetzungseigenschaften von Oberflächen, die Kontrolle von Adsorptionsprozessen von Molekülen aus Lösung und Dispersion oder die Trennung von Flüssigkeitsgemischen.“
Innovationspotenzial besitzen transparente Folien und Polymergläser auch dann, wenn sie selber beschichtet und dadurch z. B. leitfähig gemacht werden. Ein neues Verfahren vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden, ermöglicht es, Polymeroberflächen bei der Herstellung oder Verarbeitung in einem Formwerkzeug mit einer elektrischen Flächenleitfähigkeit von bis zu 10–3 Siemens zu versehen. Dabei wird eine Dünnschicht von weniger als 100 nm aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) zunächst auf der Innenfläche des Werkzeugs aufgetragen. Die Polymermasse durchdringt das CNT-Netzwerk, sodass dieses fest in die Kunststoffoberfläche integriert wird. „Derartige Materialien lassen sich zur Vermeidung statischer Aufladungen, für Gehäuse mit elektromagnetischer Abschirmung, für druckbare Elektronik oder als Elektroden verwenden“, erklärt IWS-Forscher Jens Liebig, der in Hannover über „Transparente, leitfähige Polymeroberflächen durch Kohlenstoffnanoröhren“ berichten wird.
Mit der Beschichtung von extrem leichten und gleichzeitig sehr stabilen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) beschäftigen sich auch die Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST. Die Braunschweiger Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der sie Kunststoffe mit einer festhaftenden Metallschicht überziehen und sie dadurch besser leitfähig machen können. Dazu rauen sie die Oberfläche des Kunststoffs mit einer nasschemischen Ätzmethode auf und bringen dann im Tauchverfahren eine dünne elektrisch leitfähige Schicht auf, die den darauf folgenden galvanischen Beschichtungsprozess ermöglicht. Mit dem Verfahren überzogen die Experten bereits Röhren aus CFK mit Kupfer, die als Antennen bald Umwelt- und Sicherheitsdaten vom Satelliten „Sentinel“ zur Erde übermitteln werden.
Eine neuartige Gleitförderkette aus beschichtetem Kunststoff, die durch spezielle, endlosfaserverstärkte Einlegeteile in den Kettengliedern Antriebsenergie spart und gleichzeitig eine sehr lange Lebensdauer hat, werden Chemnitzer Wissenschaftler des Spitzentechnologieclusters „Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik“ (eniPROD) auf dem Messestand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie vorstellen. „Durch die Beschichtung wird zum einen der Verschleiß vermindert und zum anderen der Reibwert verringert“, betont Sebastian Weise von der TU Chemnitz den Nutzen der amorphen Kohlenstoffschichten und Kohlenstoff-Stickstoffschichten, die im Magnetron-Sputter-Verfahren auf polymere Kettenwerkstoffe aufgebracht wurden. Abhängig vom verwendeten Substrat hätten erste Reibungs- und Verschleißuntersuchungen langzeitstabile verbesserte Reibwerte und einen sehr guten Verschleißschutz der Beschichtungen bestätigt. Die zum Patent angemeldete Förderkette ist nach Aussage der Forscher leiser und leichter als Stahlketten und muss nicht geschmiert werden. Durch die integrierte Verstärkungsstruktur werde zudem die Zugfestigkeit und Steifigkeit gegenüber herkömmlichen Kunststoffketten entscheidend erhöht. Damit lassen sich längere Förderstrecken mit weniger Antrieben realisieren und so auch Antriebsenergie sparen.
Nanogate, Göttelborn, hat mit einem Beschichtungsdienstleister eine UV-härtende Beschichtung für Kunststoffplatten entwickelt. Bei dem Verfahren lässt sich das Beschichtungsmaterial laut den Unternehmensangaben ohne weitere Vorbehandlung mit UV-Licht auf vielen Kunststoffarten aushärten. Die Einsatzmöglichkeiten so beschichteter Platten reichten von Flugzeugfenstern, Tür- und Torelementen über Motorradschutzscheiben bis hin zu Kfz-Interiorelementen, bei denen Oberflächeneigenschaften wie hohe Kratzfestigkeit und einfache Reinigung gewünscht werden. Da die Behandlung des Substrates vor der Beschichtung entfällt, wird zudem die industrielle Serienproduktion vereinfacht und der Produktionsprozess schlanker. Auf der UV-Serienanlage des Beschichtungsdienstleisters können jährlich bis zu 1,5 Mio. m² Plattenware im Dreischichtbetrieb veredelt werden. R. MÜLLER-WONDORF
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