Bild 1: Superhydrophobe Oberfläche des Lotus-Blattes (Nelumbo), REM-Aufnahme einer technisch hergestellten superhydrophoben TiO2-Sol-Gel-Schicht auf einen Werkzeugeinsatz für das Spritzgießen

Superhydrophobe Oberflächen direkt in Kunststoff abformen

Ein Nanometer als Größenordnung bezeichnet einen Grenzbereich, in dem die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien eine immer größere Rolle spielen. An technische Oberflächen werden höchste Ansprüche gestellt, die durch den Einsatz geeigneter Materialien nicht immer erfüllt werden können. Oberflächenstrukturen oder Beschichtungen erweitern die Möglichkeiten, Eigenschaften zu optimieren, um kostengünstige Lösungen für herausfordernde technische Aufgaben zu liefern. Extrem hydrophobe Oberflächen haben den Vorteil, dass sie sich sehr inert verhalten und wenig beschmutzen bzw. leicht gereinigt werden können. Dies ist beispielsweise von Bedeutung für transparente optische Systeme, mikrofluidische Systeme oder biotechnologische Anwendungen.

Zwei Ansätze zur Selbstreinigung beruhen auf der Oberflächenbeschaffenheit: Ist die Oberfläche sehr benetzbar, wird der Schmutz von der Oberfläche als Film abtransportiert; im Fall eines sehr hydrophoben Substrats wird der Schmutz mit Wassertropfen von der Oberfläche weggeschwemmt. Kommerziell entwickelte selbstreinigende Oberflächen erreichen diese Eigenschaften durch eine definierte Mikro- bzw. Nanostrukturierung der Oberfläche und eine gezielte Einstellung der Oberflächenenergie.

Ziel eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projektes (Reg.-Nr.: IW090064) war es, durch innovative SolGel-Beschichtungen auf Basis von TiO2 eine Oberflächenstrukturierung in den konturgebenden Flächen im Spritzgießwerkzeug zu erreichen, um Kunststoffformteile mit hydrophoben Oberflächeneigenschaften direkt beim Formgebungsprozess im Spritzgießwerkzeug zu erzeugen.

Lösungsweg

Um hydrophobe Oberflächen ähnlich dem sog. „Lotus-Effect®“ zu erzeugen werden µm-Strukturen (Höhe: 10 bis 50 µm; Abstand: 5 bis 200 µm) benötigt, welche in ihrer Oberflächenbeschaffenheit mit einer nanoskaligen Rauheit ausgestattet sind. Andere Charakterisierungen von hydrophoben Oberflächen gehen jedoch lediglich von Strukturen im sub-µm-Bereich aus, die den essentiellen Beitrag zum hydrophoben Effekt erbringen.

In ersten Abformtests mittels Heißprägeverfahren wurde die Abformbarkeit der strukturierten Sol-Gel-Schicht in Kunststoff überprüft. Das Heißprägen ist im Vergleich zu bestehenden Replikationstechniken, wie Spritzgießen oder Spritzprägen, ein einfaches Verfahren mit wenigen Verarbeitungsparametern und Prozessschritten. In enger Zusammenarbeit mit der GMBU e.V. wurde ein Aufbau der Schichtsysteme in vier Grundvarianten mit jeweils mehreren Variationen der Topographie der Oberflächenstruktur der Sol-Gel-Schichten vollzogen, welche auch entsprechend im Heißpräge- und Spritzgießprozess in Kunststoff abgeformt wurden.

Die Oberflächentopographie der Schichtsysteme und der replizierten Abformungen in Kunststoff wurde je nach Strukturgröße mittels AFM, REM oder Auflicht-Mikroskopie beurteilt. Ein weiteres wichtiges Kriterium zur Charakterisierung der erreichten Hydrophobie stellt die Ermittlung des Kontaktwinkels gegen Wasser dar. Es wurde bei den strukturierten Heißprägeeinsätzen vor und nach den Prägungen, sowie bei allen replizierten Kunststoffproben der Kontaktwinkel bestimmt. Die Auswertungen der Messergebnisse zu den ersten Beschichtungsvarianten ergaben dabei bereits erste Erfolge bei der Abformung einer hydrophoben Sol-Gel-Struktur in Kunststoff im Heißprägeprozess.

Im Spritzgießverfahren können sehr kostengünstig komplexe Bauteile und Strukturen in einem Werkzeug in hohen Stückzahlen abgeformt werden. Bei der Abformung von Nano- und Mikrostrukturen besitzt die Höhe der Werkzeugwandtemperatur einen gravierenden Einfluss. Befindet sich die Werkzeugwandtemperatur kurz oberhalb der Glasübergangstemperatur (bei amorphen Kunststoffen) bzw. der Kristallitschmelztemperatur (bei teilkristallinen Kunststoffen) des jeweilig verwendeten Kunststoffes, so erfolgt eine 100%-ige Formfüllung und damit Abbildung der Mikrostrukturen. Dieses Verfahren wird variotherme Prozessführung genannt. Nach Abschluss der Einspritzphase wird die Werkzeugkavität auf Entformungstemperatur abgekühlt.

Spritzgießversuche im Variothermprozess mit unterschiedlichen technischen unpolaren Kunststoffen wie COC Topas 6013 (Cycloolefin-Copolymer), LPP Resin 733-H (leicht fließendes Polypropylen) und PE Lupolen 6031 M (Polyethylen) dienten dem Nachweis der Reproduzierbarkeit der Abformung und der Verschleißfestigkeit der Sol-Gel-Schicht.

Ergebnisse

Während des Anfahrzyklus des variothermen Spritzgießprozesses konnte ein Anstieg des Kontaktwinkels der abgeformten Kunststoffproben verzeichnet werden. Dies ist mit einer Art Reinigungseffekt während der ersten Abformungen zu erklären, bei dem lose Sinterbestandteile der Beschichtung ausgelöst werden, die sich im Kunststoff ablagern.

Nach einem Dauertest ist jedoch ein leichter Verschleiß in der Struktur zu erkennen, welcher sich auf ein bestimmtes Niveau einpegelt. Dies ist sehr gut in der Abb.4 zu erkennen. Anfangs erfolgt bei der Abformung in COC ein Anstieg auf einen Kontaktwinkel von ca. 152°, welcher sich mit zunehmender Anzahl der Abformungen auf ca. 144° einstellt.

Bild 4: Entwicklung des Kontaktwinkels bei Spritzgießdauertests in COC

Mit den vorhandenen Beschichtungsvarianten der Werkzeugeinsätze konnten bei Abformungen in LPP maximale Kontaktwinkel gegenüber Wasser von 165,6° nachgewiesen werden. Aufgebrachte Wassertropfen perlten rückstandslos von der Oberfläche ab. Entscheidend für eine gute Abbildung der Nano- und Mikrostrukturen in Kunststoff war die eingestellte Werkzeugwandtemperatur während des Spritzgießens. Der Zusammenhang ist sehr gut in Abb.5 zu erkennen.

Mit den vorliegenden Ergebnissen kann abschließend eine Eignung von stochastisch strukturierten Sol-Gel-Schichten zur Herstellung von superhydrophoben Kunststoffoberflächen im Urformprozess festgestellt werden. Durch die planare Gestaltung der Demoteile für das Heißprägen und Spritzgießen kann jedoch noch kein Rückschluss auf die Abbildung der Struktur bei 3D-Oberflächen gegeben werden. Komplexere Bauteilgeometrien würden den Beschichtungsprozess der Werkzeugkonturen vor eine neue Herausforderung stellen, sowie bei der Entformung der Kunststoffoberflächen zu neuen Problemstellungen führen.

Bild 5: Abhängigkeit des Kontaktwinkels von der Werkzeugwandtemperatur (Abformungen in LPP)