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Forschungsgruppe Reaktive Grenzflächen

Forschungsgruppenleiter

Dr. Jürgen Nagel
+49 351 4658 399 +49 351 4658 362

Einführung

Kunststoffe werden zunehmend in technischen Produkten eingesetzt. Dafür spricht der geringe notwendige Aufwand bei der Herstellung und Verarbeitung im Vergleich zu vielen anderen Materialien. Die Formgebung kann durch Spritzgießen erfolgen, wobei hohe Stückzahlen sehr effektiv und unter geringen Energieaufwendungen möglich sind. Darüber hinaus haben Kunststoffe weitere Vorteile. Die hohe Transparenz einiger Typen erschließt Anwendungen in der Optik und eröffnet neue Designlinien. Die geringe Masse hilft, energieeffiziente Fahrzeuge zu konstruieren.

Kunststoffoberflächen sind normalerweise wenig polar, schwer benetzbar und wenig reaktiv. Das stört in vielen Fällen wenig, bei denen die inneren Eigenschaften der Kunststoffteile genutzt werden.

Zunehmend werden jedoch größere Anforderungen an das Design und auch an Oberflächenfunktionen gestellt. Beispielsweise wird ein Lackieren, Verkleben oder Metallisieren der Formteile gefordert. Voraussetzung dafür ist oft eine Oberflächenmodifizierung.

Hierfür gibt es eine Reihe von kommerziell etablierten Verfahren, die auf der Wirkung von

  • Plasma (unterschiedlichen Methoden der Plasmabehandlung, Beflammung, Corona)
  • energiereicher Strahlung (ultraviolett) oder
  • ätzender Chemikalien (Chromschwefelsäure)

beruhen.

Diese Verfahren haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Durch den hohen Energieeintrag in die äußerste Schicht werden funktionelle Gruppen erzeugt. Der Energieeintrag ist allerdings so hoch, dass das Material in dieser Schicht geschädigt wird. Diese Schicht mit einer Dicke von wenigen Nanometern ist aber gerade für den Verbund mit später applizierten Materialien (z.B. Lack) entscheidend.

Es bildet sich eine sogenannte weak boundary layer, in der die Polymermoleküle des Kunststoffs fragmentiert werden und keine Adhäsion mehr zur eigenen Matrix aufweisen. Zweitens kann durch die hohe Energie nicht genau bestimmt werden, welche Art von funktionellen Gruppen erzeugt werden. Oft wird aber die Weiterbehandlung der Oberfläche nur durch bestimmte funktionelle Gruppen unterstützt, durch andere dagegen behindert. Schließlich erfordern alle Modifizierungsverfahren einen gesonderten Verfahrensschritt, teilweise mit Vor- und Nachbereitungen.

Eine Möglichkeit, die Nachteile zu umgehen, besteht in der Kopplung der Oberflächenmodifizierung mit der Formgebung, beispielsweise durch Spritzgießen. Durch diese Prozessintegration kann außerdem die zum Schmelzen des Kunststoffs einmal aufgewendete Energie weiter genutzt werden. Die Modifizierungsreaktionen beruhen auf der chemischen Reaktionsmöglichkeit der Thermoplaste bei diesen hohen Temperaturen. In unseren Arbeiten werden die chemischen, physikalischen und technologischen Randbedingungen dieser Methode untersucht. Die Vorteile und Potentiale der Methode werden anhand von Anwendungsuntersuchungen demonstriert.

Gegenstand der Forschungsarbeiten

Zentraler Gegenstand sind Modifizierungen der Kunststoffe, bei denen sich die Oberflächenschicht im Schmelzezustand befindet. Dieser kann entweder während des Prozesses vorhanden sein (z.B. beim Spritzgießen) oder er wird nachträglich durch dosiertes, mildes Eintragen von Energie erzeugt, wie bei der Laserbearbeitung. Die einmal gewonnen Erkenntnisse zu den spezifischen Grenzflächenreaktionen werden auch auf andere Bereiche angewandt.

Das Verständnis der in Nanometerdimensionen ablaufenden Prozesse berührt zum Einen Grundlagenaspekte. Hier wird Fragen nachgegangen wie:

  • Wie (und wie schnell) laufen Reaktionen und Interdiffusionen zwischen Modifikator und Schmelze ab innerhalb der dünnen Grenzschicht und in der kurzen Zeit ab?
  • Welche Reaktionen sind für welchen Kunststoff geeignet?
  • Welche mechanischen Kräfte wirken im Nanometerbereich in der Grenzschicht zwischen fließender Schmelze und Werkzeugoberfläche, unter Berücksichtigung der Temperaturänderungen?
  • Und wie können sie zur Übertragung von lateralen Strukturen von einem Substrat auf das Formteil als auch zur Strukturbildung genutzt werden?
  • Welche Kräfte wirken senkrecht zur Grenzschicht bei komplexen Aufbauten mit dreidimensionaler Struktur?

In die Untersuchungen werden chemische Modellsysteme sowie Simulationen in unterschiedlichen Größenbereichen einbezogen. Monte-Carlo-Simulationen von polymeren Grenzflächenreaktionen geben Aufschluss über die Wirkung der Polymerstrukturen auf die chemische Verbundbildung zwischen Schmelze und Modifikator.

Die Methode ermöglicht eine prozessintegrierte Oberflächenmodifizierung unter effektiver Ausnutzung von Ressourcen durch Massenfertigung und den effektiven Einsatz von Energie. Durch die Vielzahl von möglichen Anwendungen wird ihr ein hohes Innovationspotential zugeschrieben. Die Arbeiten befassen sich daher zum Anderen mit Anwendungsaspekten der Methode. Es wird ermittelt, wie die Schichten an der Oberfläche aufgebaut und demzufolge hergestellt werden müssen, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Potentiale werden gesehen in der vorbehandlungsfreien Oberflächenmodifizierung, z. B. für das Lackieren und Verkleben. Darüber hinaus können sehr spezielle Oberflächenfunktionalisierungen erzielt werden, wie sie in der Mikrofluidik, Sensortechnik, bei elektronischen Display und Speichern benötigt werden. Die Kenntnis der physikalischen und chemischen Grundlagen erlaubt die Entwicklung einer sehr effizienten Technologie zur Serienproduktion von Thermoplastformteilen mit modifizierten und strukturierten Oberflächen.

Projekte

DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)

 

“Immobilisierung geordneter plasmonischer Nanostrukturen an Oberflächen von Polymerschmelzen”, 2019-2022

„Immobilisierung von Nanoteilchen auf Kunststoffoberflächen mit Hilfe funktioneller Polymere durch oberflächenreaktives Spritzgießen“, 2011-2012

„Modellierung und Simulation von Reaktionen an Grenzflächen von Polymerschmelzen zur Verbundbildung“, 2007-2009

„Chemische Oberflächenmodifizierung beim Spritzgießen und dessen Wechselwirkung mit dem Verarbeitungsverhalten“, Verbundprojekt mit Lehrstuhl für Kunststofftechnik der TU Chemnitz, 2003-2005

„Neue Wege zur Oberflächenaktivierung von Kunststoffen“, DFG-Forschergruppe zusammen mit Lehrstuhl für Kunststofftechnik der TU Chemnitz, 1998-2002

 

BMBF

“Validierung eines Chrom(VI)-freien Verfahrens zur galvanischen Metallisierung von Kunststoffteilen (NoChrom2)”, im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme "Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung“ - VIP+, 2021-2024

AiF

 

“Prozessintegrierte Immobilisierung von optischen Markern an Formteiloberflächen zur individuellen und robusten Bauteilkennzeichnung (Pictor)”, Verbundprojekt mit Fraunhofer IFAM, Süddeutsches Kunststoffzentrum, 2021-2023

„Kunststoffformteile mit permanent elektrisch ableitfähiger Oberflächenschicht (Ableitfähige Kunststoffe)“, Verbundprojekt mit IOT der HS Zittau, 2014-2016

„Methode zur chemischen Oberflächenmodifizierung von Polyolefinen bei der Formgebung“, 2003-2005, Verbundprojekt mit FILK Freiberg und Lehrstuhl für Kunststofftechnik der TU Chemnitz

 

Volkswagen-Stiftung

 

„New Surface Functionalisation by Process-Integrated Surface Modification of Polyolefins“ , Verbundprojekt mit Lehrstuhl für Kunststofftechnik der TU Chemnitz, 2010-2012

„Fast Surface Reactions on Moulding“ , Verbundprojekt mit Lehrstuhl für Kunststofftechnik der TU Chemnitz, 2007-2010

 

 

Die Erkenntnisse werden regelmäßig in die Industrie überführt, so z. B. in Form von weiteren gemeinsamen Forschungsprojekten mit Finanzierung durch das ZIM-Programm der AiF oder durch direkte Industrieaufträge.

Angebote für Studentische Arbeiten

  • Oberflächenmodifizierungen mit funktionellen Polymeren oder Nanopartikeln beim Spritzgießen, 3D-Druck und Lasermaterialbearbeitung (Materialwissenschaft, Verfahrenstechnik)
  • Charakterisierungen von Polymerober- und Grenzflächen (Chemie, Physik)
  • Anwendungsuntersuchungen (Verfahrentechnik, Materialwissenschaft)
  • Reaktionen in Polymerschmelzen (Chemie)
  • Theorie und Computersimulationen von Grenz- und Oberflächen in Polymerschmelzen (Physik, Mathematik)

Wissenschaftliche Mitarbeiter

  • Dr. David Vehlow
  • Dr. Patrick Probst
  • Dr. Hyeyoung Park
  • Philipp Zimmermann (Doktorand)
  • Kamal Meena (Doktorand)

Kooperationen

  • Fraunhofer-Institut für Angewandte Materialforschung, Bremen
  • Süddeutsches Kunststoffzentrum gGmbH, Erlangen
  • Kunststoffzentrum Leipzig gGmbH
  • Institut für Oberflächentechnik an der FH Zittau-Görlitz, Zittau