20/09/2012

INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena

Erstmalig flächige Beschichtung mittels atmosphärischen Jet-Plasmas realisiert

Wissenschaftler von INNOVENT haben ein neuartiges skalierbares Atmosphärendruck-Freistrahl-Plasmasystem zur flächigen Beschichtung von Oberflächen entwickelt. Die Anwendungsmöglichkeiten für derartige Schichten sind vielfältig und ergeben sich zum Beispiel im Bereich des Korrosionsschutzes von Werkstoffen (Glas, Metalle), der gezielten Einstellung der Benetzbarkeit von Oberflächen, der Transmissionserhöhung von Gläsern oder Kunststoffen, im Bereich der Herstellung von easy-to-clean-Oberflächen oder aber für die Schaffung von Barriereschichten.

Basis des Verfahrens ist die Verwendung eines Systems von Freistrahl-Plasmadüsen. Eine jede dieser Plasmadüsen generiert unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen einen Plasma-Jet, der potenzialfrei ist und mit dem metallische und polymere, aber auch glasartige und keramische Oberflächen aktiviert und gereinigt werden können. Unter Zudosierung von geeigneten chemischen Vorläufersubstanzen, sogenannten Precursoren, können mit derartigen Plasmadüsen aber auch schnell und kostengünstig funktionelle Beschichtungen unter Atmosphärendruckbedingungen realisiert werden. Nötig sind dazu nur Druckluft, die elektrische Versorgung der Plasmadüse sowie eine Precursorzudosiereinheit.
Durch das hochenergetische Plasma im Inneren der Plasmadüse werden die chemischen Vorläufersubstanzen fragmentiert, aus der Düse herausgetrieben und schichtbildend auf dem Werkstück umgesetzt. Auf diese Art und Weise ist es möglich, unter Verwendung geeigneter Precursoren funktionelle Beschichtungen auf der Basis von Siliziumoxid oder Titanoxid auf praktisch beliebige Oberflächen aufzubringen.

Durch die Nutzung speziell entwickelter und für die jeweiligen Gasflüsse angepasster Zerstäubereinheiten und die damit realisierbare Zudosierung weiterer Vorläufersubstanzen (Aerosole) können die Funktionalitäten der abgeschiedenen Schicht zusätzlich noch erweitert werden. Beispiele für die Nutzung derartiger Kompositbeschichtungen, bei denen die Aerosolbestandteile in die SiOx-Schichtmatrix eingebunden werden, sind antibakteriell ausgestattete Oberflächen. Es sind aber auch Oberflächenbeschichtungen, die fluoreszierende Farbstoffe enthalten und die im Bereich der Produktverfolgung oder des Plagiatschutzes eingesetzt werden können, realisierbar.

In einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Forschungsprojekt wurde nun ein linear aufskalierbares Beschichtungssystem entwickelt, mit dem derartige atmosphärischen Plasmabeschichtungsprozesse nicht mehr nur unter Verwendung einer Einzeldüse, sondern auch unter Nutzung mehrerer Düsen realisiert werden können. Dazu wird ein zehn Zentimeter breiter Plasmabrenner verwendet, bei dem 14 Einzeldüsen, angeordnet in zwei Reihen, genutzt werden. Die Zudosiereinheiten sowohl für die siliziumorganischen Precursoren als auch für die Aerosolbereitstellung sind für die entsprechend höheren Gasflüsse neu entwickelt worden. Für die Herstellung von Titandioxidschichten wurde ein speziell dafür notwendiger Düsenaufsatz entwickelt. Das Beschichtungssystem ist aufskalierbar zu höheren Behandlungsbreiten.

Die hergestellten Schichten wurden mit Hilfe geeigneter oberflächenanalytischer Verfahren (SEM, FT-IR, UV-Vis, Abrasionstests) charakterisiert. Spektralellipsometrisch und profilometrisch konnte gezeigt werden, dass die Schichtdickenhomogenität für Schichten mit typischen Dicken im 100 bis 200 Nanometerbereich bei unter 15% liegt.
Erste Funktionsmuster wurden bereits realisiert im Bereich Korrosionsschutz auf Metallen, als Bakterizidbeschichtungen auf textilen Substraten sowie mit Blick auf Antireflex-beschichtungen auf Glas, z.B. für die Deckglasapplikation im Bereich Solarthermie und/oder Photovoltaik.

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