Fraunhofer IMWS: Bessere Haftungseigenschaften von Kunststoffen durch kombinierte Mikro- und Nanostrukturierung

Rasterelektronenmikroskop-Darstellung der hierarchischen Struktur in einer Polycarbonat-Oberfläche - (Bild: Fraunhofer IMWS).

Mit einem patentierten Verfahren zur Mikro-Nanostrukturierung hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) die Haftungseigenschaften von Polymeren deutlich verbessert. Auch bei der Benetzbarkeit, der optischen Reflexion, der Hydrophobie und der Recyclingfähigkeit bringt das Verfahren, bei dem strukturierte Oberflächen durch Heißprägen oder Spritzgießen erzeugt werden, deutliche Vorteile.

Wenn ein Gecko an Wänden hochklettert, gelingt dies durch die große Kontaktfläche der hierarchischen und fibrillären Strukturen seiner Füße mit dem Untergrund. Ein ähnlicher Ansatz wurde am Fraunhofer IMWS für Polymeroberflächen realisiert. Diese werden durch Heißprägen in eine hierarchische Struktur gebracht, wobei Prägewerkzeuge aus Aluminiumoxid verwendet werden, die zuvor mit einem Laser und einem selbstorganisierenden elektrochemischen Prozess mikro- und nanostrukturiert wurden.

Das Verfahren eignet sich für die Strukturierung verschiedener Kunststoffe wie thermoplastische Elastomere (TPE), thermoplastische Polyurethane (TPU), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Die Prägewerkzeuge aus Aluminiumoxid lassen sich leicht in bestehende Produktionsprozesse der Kunststoffverarbeitung integrieren. Die Umformung erfolgt bei hohen Temperaturen und niedrigem Druck. Nach dem Abkühlen unter Last erfolgt die Entformung durch Abziehen des Kunststoffmaterials vom Prägewerkzeug.

Um den Prozess zu optimieren, ermittelte das Fraunhofer-Team die geeigneten Verarbeitungstemperaturen auf Basis von Glasübergangs- und Schmelztemperaturen, die mit Hilfe der Dynamischen Differenz-Kalorimetrie (DSC) bestimmt wurden. Die Mikro-/Nanostruktur der Prägewerkzeuge und die damit erzeugte inverse Struktur der Polymeroberfläche mit feinsten Nanofilamenten wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Auf nassen Oberflächen (Keramik, Glas, Metall) konnte mit der Gecko-Methode eine Steigerung der Haftkraft um bis zu 85,4 Prozent erreicht werden.

Die Oberflächenstrukturen können durch entsprechend hergestellte Werkzeuge individuell und gezielt angepasst werden, wodurch sich ein breites Anwendungsspektrum eröffnet. Naheliegend sind neue Lösungen für die Verpackungsindustrie, um die Haftung von Klebstoffen und Druckfarben auf Folien zu verbessern, sowie neue Ansätze, um das Beschlagen von Kunststoffoberflächen, beispielsweise in der optischen Industrie, zu verhindern.

„Ein großer Vorteil ist auch, dass wir unterschiedliche Oberflächenstrukturen und damit neue Materialeigenschaften erzielen können, ohne zusätzliche Elemente wie Additive oder Beschichtungen einzubringen. So können die Werkstoffe sortenrein bleiben, was das spätere Recycling erheblich vereinfacht“, sagt Dr.-Ing. Andrea Friedmann, Gruppenleiterin „Biofunktionale Materialien für Medizin und Umwelt“ am Fraunhofer IMWS. „Auch langwierige und kostspielige Zulassungsverfahren werden vermieden, weil die Mikro-Nano-Strukturierung auf bereits zugelassenen und chemisch nicht veränderten Materialien erfolgt. So können Unternehmen viel Zeit und hohe Kosten bei der Einführung verbesserter Produkte sparen.“

Weitere Informationen: www.imws.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, Halle

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