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Kunststoff Vom Gecko inspiriert: So haften Polymere besser

Quelle: Fraunhofer IMWS 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH
GGB Heilbronn GmbH
Franke GmbH

Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle hat ein patentiertes Verfahren entwickelt, mit dem sich die Haftungseigenschaften von Polymeren verbessern lassen. Als Vorbild nutzten die Forscher die hierarchischen Strukturen von Geckofüßen.

Mit seiner großen Kontaktfläche der hierarchischen und fibrillären Strukturen seiner Füße kann der Gecko die Wände hochklettern.(Bild: chatgunner - stock.adobe.com)
Mit seiner großen Kontaktfläche der hierarchischen und fibrillären Strukturen seiner Füße kann der Gecko die Wände hochklettern.
(Bild: chatgunner - stock.adobe.com)

Mit seiner großen Kontaktfläche der hierarchischen und fibrillären Strukturen seiner Füße kann der Gecko die Wände hochklettern. Einen ähnlichen Ansatz haben Forscher am Fraunhofer IMWS für die Oberflächen von Polymeren umgesetzt. Diese werden durch Heißprägen in eine hierarchische Struktur gebracht. Hierzu werden Prägewerkzeuge aus Aluminiumoxid eingesetzt, die zuvor mit einem Laser und durch ein selbstorganisierendes elektrochemisches Verfahren mikro- und nanostrukturiert wurden.

Das Verfahren eignet sich für die Strukturierung unterschiedlicher Kunststoffe wie thermoplastische Elastomere (TPE), thermoplastische Polyurethane (TPU), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Die Prägewerkzeuge aus Aluminiumoxid lassen sich einfach in bestehende Produktionsverfahren der Kunststoffverarbeitung integrieren. Das Abformen erfolgt bei hohen Temperaturen und niedrigem Druck. Nach dem Auskühlen unter Belastung erfolgt die Entformung durch Abziehen des Polymermaterials vom Prägewerkzeug.

Ein großer Vorteil ist, 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.

Dr.-Ing. Andrea Friedmann, Gruppenleiterin Biofunktionale Materialien für Medizin und Umwelt am Fraunhofer IMWS

Haftkraft erhöht sich um 85,4 Prozent auf nassen Oberflächen

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

Um den Prozess zu optimieren, wurden vom Fraunhofer-Team die passenden Verarbeitungstemperaturen auf Basis der durch Differenzialkalorimetrie (DSC) erhaltenen Glasübergangs- und Schmelztemperaturen ermittelt. Die Mikro-/Nanostruktur der Prägewerkzeuge und die damit erzeugte Invers-Struktur der Polymeroberfläche mit feinsten Nanofilamenten wurde mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht. Auf nassen Oberflächen (Keramik, Glas, Metall) erhöhte sich die Haftkraft mit der Gecko-Methode um bis zu 85,4 Prozent. „Ein großer Vorteil ist, 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.

Kleber und Druckfarben haften beserr auf Folien

Die Oberflächenstrukturen lassen sich durch entsprechend gefertigte Werkzeuge individuell und zielgerichtet anpassen, was eine große Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Naheliegend sind neue Lösungen für die Verpackungsindustrie: hier können Kleber und Druckfarben besser auf Folien haften. Ebenso sind neue Ansätze möglich, mit denen sich das Beschlagen von Kunststoffoberflächen verhindern lässt, etwa in der optischen Industrie.

„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“, sagt Friedmann. 

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