Beschichtungen und Beschichtungstechnologien

Funktionale Oberflächen durch Modifizierung, Funktionalisierung und Beschichtung

Funktionale Oberflächen verleihen Produkten und Werkstoffen aus den unterschiedlichsten technischen Bereichen neue Eigenschaften.

Wichtige Eigenschaften von Materialien, wie z. B. Benetzbarkeit, Haftfähigkeit, Biokompatibilität, Adhäsionseigenschaften oder tribologische Eigenschaften, hängen nur von der Chemie und der Topographie ihrer Oberfläche ab. Andere wichtige Materialeigenschaften wie mechanische Eigenschaften oder Verarbeitbarkeit werden durch das verwendete Material bestimmt. Durch geeignete Oberflächenmodifikationen ist es möglich, Materialien mit einem neuen Eigenschaftsprofil zu erhalten und so neue Anwendungen zu ermöglichen.

Wir statten Oberflächen von Kunststoffen, Keramiken oder Metallen mit neuen Eigenschaften aus, indem wir dünne Schichten auftragen oder definierte Funktionen auf ihren Oberflächen erzeugen. Dazu entwickeln wir unter anderem funktionale Schichten mit antihaft- und antimikrobiellen Eigenschaften, Barriereschichten, biokompatible und bioaktive Oberflächen und funktionale Sensorbeschichtungen. 

Breite Palette an Beschichtungsverfahren

Hierzu setzen wir diverse Beschichtungsverfahren aus der Gasphase (Plasmaverfahren, PVD-, CVD-Verfahren), nasschemische Verfahren (Tauchen, Rakeln, Sprühen, Spin-coating) sowie kombinierte Verfahren ein – vom Labor- bis in den Pilotmaßstab.

Angebot vom Verfahren bis zur Musterbeschichtung

Für alle Beschichtungen bieten Ihnen die Entwicklung eines vollständigen Prozesses – von der Schicht, über die Verfahrensentwicklung und Aufskalierung bis zur Musterbeschichtung. Gerne machen wir Ihnen ein individuelles Angebot.

Leistungsangebot

  • Entwicklung von Beschichtungen und Oberflächenfunktionalisierungen auf kundenspezifischen Materialien und Geometrien
  • Physikalische oder physikalisch-chemische Aktivierung von Oberflächen
  • Funktionalisierung von Oberflächen
    • mit bioaktiven Molekülen
    • mit chemischen Funktionen
  • Analyse von Beschichtungen und Oberflächen

Infomaterialien

 

Broschüre »Plasmatechnik – Schlüsseltechnologie zur Herstellung funktioneller Oberflächen«

 

Broschüre »Photokatalytische Oberflächen – Herstellung, Charakterisierung und Bewertung«

 

Produktblatt »Sensitive und selektive Beschichtungen von Gassensoren«

 

Produktblatt »Ausrüstung von Fasern, Garnen und Textilien mittels Plasmatechnik«

 

Produktblatt »Anti-Eis-Beschichtungen«

 

Produktblatt »Eisfreie Wintersport- und Outdoorausrüstung«

Wissenschaftliche Publikationen

Beschichtungen

 

Anti-Eis-Beschichtungen

Mit Plasmabeschichtungen, geprägten oder gedruckten Strukturen lassen sich Oberflächen vor Eisbildung schützen. Anwendungsbeispiele sind vor Vereisung geschützte Flugzeugtragflächen oder Windkraft-Rotorenblätter. Das IGB hat auch eine leicht anwendbare selbstklebende Anti-Eis-Folie entwickelt.

 

Hydrophobausrüstung von Textilien mit biobasiertem Chitosan

Am IGB haben wir chitosanbasierte wasserabweisende Veredelungen entwickelt, um PFAS-Ausrüstungen im Bereich Freizeittextilien zu ersetzen. Die Technologie wurde bereits in größeren Maßstäben umgesetzt und die Beschichtungen sind auch auf andere Materialien, z. B. Pappe und Papier, übertragbar.

 

Anti-Fogging

Funktionale Anti-Fogging-Beschichtungen mittels Niederdruckplasmaprozessen können dafür eingesetzt werden, einen störenden optischen Eindruck durch Kondensation von Wassertröpfchen zu verhindern. Die Abscheidungen kann dabei sowohl auf Flachsubstraten als auch 3D-Körpern erfolgen.

 

Barriereschichten

Das Fraunhofer IGB entwickelt Barriereschichten beispielsweise gegen Gase wie Sauerstoff, Wasserdampf und Chemikalien und kombiniert diese mit Schutzschichten z. B. gegen Korrosion oder Schichten, welche die dehäsiven Eigenschaften fördern.

 

Dehäsive Schichten für verbesserte Restentleerbarkeit

Fließfähige Füllgüter wie z. B. Lebensmittel oder Körperpflegeprodukte lassen sich in den meisten Fällen nicht vollständig aus ihren Verpackungen entnehmen. Am Fraunhofer IGB entwickeln wir Oberflächenmodifizierungen für Verpackungsmaterialien, die die Anhaftung von Füllgütern verringern.

 

Hydrophilierung für verbesserte Gaspermeabilität formstabiler Kontaktlinsen

Am IGB haben wir mittels Plasmatechnik gezielt hydrophile Funktionen in die Oberfläche einer Kontaktlinse eingebaut. Diese bewirken eine bessere Benetzbarkeit und verringern wegen der verstärkten Anlagerung von Wasser an die Grenzfläche die Proteinanlagerung.

 

Vermeidung der Adhäsion von Mikroorganismen durch antimikrobielle Oberflächen

Am IGB entwickeln wir Oberflächenbeschichtungen, die aktiv durch Wirkstofffreisetzung oder passiv durch Verminderung der Bakterienadhäsion den Aufbau von Biofilmen unterdrücken, darunter auch Schichtsysteme zur gezielten Freisetzung von Biomolekülen.

 

Verbesserte Zelladhäsion

Die Besiedelung von Oberflächen mit biologischen Zellen ist wichtig in der Zellkulturtechnik oder für das Einwachsen prothetischer Implantate. Wir entwickeln Strategien zur Biologisierung von Oberflächen und modifizieren Biopolymere wie beispielsweise Heparin, Gelatine, Hyaluronsäure so, dass sie kovalent oder adsorptiv an Kunststoff- oder Metalloberflächen anbinden.

 

Verbesserte Wundheilung

Wir entwickeln Oberflächenmodifizierungen, um die Wundheilung nach Verletzungen der Haut positiv zu beeinflussen. Durch Anbindung von Aminogruppen werden Oberflächen etwa so modifiziert, dass primäre humane Hautzellen besser anhaften und wachsen.

 

Parylenbeschichtungen

Reibmindernde und chemikalienresistente Ausrüstungen erreichen wir mit Parylenbeschichtungen. Poly(para-Xylylen), kurz Parylen, wird im Vakuum über einen CVD-Prozess erzeugt. Mit Parylen können unterschiedlichste Substratmaterialien beschichtet werden: von Metallen über Kunststoffe und Elastomere bis hin zu Pflanzen, Insekten oder archäologischen Artefakten. Da sich der Prozess sich durch eine hervorragende Spaltgängigkeit auszeichnet, lassen sich ebenso poröse Substrate wie Papier und Membranen beschichten.



 

PFAS-Substitution durch neue Materialien und Beschichtungen

Mit unserer Expertise im Bereich Polymere, Oberflächen und Beschichtungstechnologien bieten wir Kunden schnell umsetzbare Lösungen für die Substitution von PFAS. Beispiele sind Hydrophob-Ausrüstung mit Antihaft-Plasma-Polymeren sowie reibmindernde und chemikalienresistente Ausrüstungen (Parylen, Plasmabeschichtungen auf Kohlenwasserstoff-/siliziumorganischer Basis).

 

Beschichtungen für Gas-/Flüssigsensoren

Wir entwickeln selektive Beschichtungen für Gassensoren, um verschiedene Gase und Stoffe selektiv nachzuweisen:

  • Umweltgase (NOx, SO2)
  • Flüchtige organische Verbindungen (VOCs)
  • Weitere schwer zu messende Molekülen

 

 

Plasmabeschichtung von Folien und Textilien

Die Anwendungsbereiche von Folien für Verpackung oder Oberflächenschutz bringen einen großen Bedarf an maßgeschneiderten Oberflächenausrüstungen mit sich. Hierzu zählen Beschichtungen mit Gaspermeationsbarrieren, aber auch die chemische Ausrüstung der Oberflächen zur Einstellung von Benetzungseigenschaften oder Verklebbarkeit.

 

Beschichtungen für Biosensoren und Arrays

Wir entwickeln Beschichtungen für den Nachweis biologischer Komponenenten:
 
  • Biochips / Microarrays
  • Immustick
  • RiFS

Technologien zur Strukturierung, Funktionalisierung und Beschichtung von Oberflächen

Am Fraunhofer IGB greifen wir auf breite Palette unterschiedlicher Verfahren zur Modifizierung und Beschichtung von Oberflächen zurück. Unsere Verfahren umfassen diverse Beschichtungsverfahren aus der Gasphase (Plasmaverfahren, PVD-, CVD-Verfahren) und Flüssigphase (Tauchen, Rakeln, Sprühen, Spin-coating) – vom Labor- bis in den Pilotmaßstab. Unsere apparative Ausstattung umfasst kommerziell verfügbare, industrielle Anlagen ebenso wie maßgeschneiderte Einzellösungen.

Verfahrens- und Anlagenentwicklung

Die vielen Fragestellungen, für die am Fraunhofer IGB Beschichtungsprozesse entwickelt werden, hören nicht bei kleinen Laboranlagen auf. Durch die gute instrumentelle Ausstattung können auch Skalierungskonzepte wie zum Beispiel die kontinuierliche Behandlung von Faser- und Rollenware durchgeführt werden.

Strukturierung von Oberflächen

Zur Strukturierung von Oberflächen setzen wir am Fraunhofer IGB folgende Verfahren ein:

  • Druck- und Prägeverfahren
  • Maskentechnik
  • Partikelmodifizierte Oberflächen
  • Plasmaätzen

Apparative Ausstattung zur Strukturierung von Oberflächen

Batch-Prägen

Heißpresse

 

Rolle-zu-Rolle-Prägen

Coatema-Anlage

Nasschemische Verfahren

Nasschemische Verfahren beruhen darauf, dass die zur Beschichtung eingesetzten Moleküle aus einem flüssigen Lösungsmittel aufgetragen werden.

Am Fraunhofer IGB setzen wir folgende Verfahren zur Beschichtung aus der Flüssigphase ein:

  • Tauchen
  • Rakeln
  • Sprühen
  • Spin-coating

Gasphasenprozesse: PVD, CVD, PECVD

Aktivierung von Materialoberflächen

Materialien, die keine funktionellen Gruppen als Angriffspunkt bereitstellen, aktivieren wir über diverse Gasphasenverfahren und bringen auf diese Weise gezielt funktionelle Gruppen ein.

Abscheidung dünner Schichten

Mittels Gasphasenverfahren können dünne Schichten (Monolagen bis mehrere hundert Nanometer dick) auf Oberflächen abgeschieden werden, ohne die Volumeneigenschaften des Grundmaterials zu verändern.

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächen wie die Oberflächenspannung, die Rauheit, das dynamische Benetzungsverhalten oder die Adhäsionseigenschaft gegenüber Proteinen oder Zellen lassen sich durch Veränderung der Prozessparameter einstellen. So lassen sich gezielt Amino- oder Carboxylfunktionen auf Oberflächen generieren, die beispielsweise direkt die Wechselwirkung mit Zellen beeinflussen oder zur nasschemischen Funktionalisierung mit Biomolekülen genutzt werden.

Durch Plasmaverfahren werden zudem dünne quellfähige Release-Schichten erzeugt, welche Wirkstoffe (z. B. Antibiotika auf Implantaten) freisetzen können.

Schwerpunkt Plasmatechnik

Stentbeschichtung im Plasma.
Stentbeschichtung im Plasma.

Ein Schwerpunkt unserer Beschichtungsverfahren aus der Gasphase stellt die Plasmatechnik dar. Die Plasmatechnik gilt heute als eines der wichtigsten Werkzeuge zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten. Die zum Einsatz kommenden Plasmen sind so genannte Niedertemperatur-Plasmen im Gasdruckbereich vom Feinvakuum bis hin zu Subatmosphärendruck. 

Mit diesen Techniken können wir Oberflächen abtragen (z. B. reinigen) oder auch chemische Funktionen aufbringen (Funktionalisierung). Es können auch dünne Schichten aufpolymerisiert werden (z. B. Kratzschutzschichten). Die individuelle Einstellung von Gaszusammensetzung, Energieeintrag und weiteren Prozessparametern ermöglicht ein breites Spektrum chemischer, physikalischer und biologischer Oberflächenmodifikationen.

Aufgrund ihrer Wirkung haben wir auch effektive Prozesse für die Plasmabehandlung von Wasser mit Mikroschadstoffen sowie für die Reinigung und Entkeimung von Oberflächen und sogar für die Erhaltung von Kulturgütern entwickelt.

PVD – Physical Vapor Deposition

PVD steht für eine Reihe an Methoden für die Dünnschichtabscheidung. Atome bzw. Moleküle des abzuscheidenden Stoffs werden ohne chemische Umwandlung über ein Vakuum auf das Substrat übertragen.

CVD – Chemical Vapor Deposition

Hier haben wir einen CVD-Prozess für die Parylenbeschichtung entwickelt. Es können Schichten von einigen 100 nm bis einigen 10 µm hergestellt werden.  

PECVD – Plasma-enhanced CVD

Ein Schwerpunkt am IGB ist die Plasmatechnik, mit der wir Oberflächen abtragen, aktivieren, funktionalisieren und beschichten können.

Ausstattung

  • Diverse PECVD-Anlagen
  • Parylen-Beschichtungsanlage
  • Magnetron-Sputter-Anlage
  • Dip-coater
  • Spin-coater
  • Vorrichtungen zur Sprühbeschichtung
  • Polymer- und Partikelanalyseverfahren
  • Oberflächenanalytik

Strukturierung

Batch-Prägen

Heißpresse

 

Rolle-zu-Rolle-Prägen

Coatema-Anlage

Anlagen zur Oberflächenbehandlung im Vakuum

Plasmaanregung.
Plasmaanregung.

Plasmaanregung

Frequenzbereiche:

  • Niederfrequenz (kHz bis 100 kHz-Bereich)
  • Radiofrequenz (13,6 MHz)
  • durchstimmbar 0-50 MHz
  • Mikrowellen (2,45 GHz)

Leistung:

  • einige W bis ca. 1 kW
  • Leistungsdichten bis max. ca. 8 W/cm2
  • kontinuierliche und gepulste Anregung
Prozessgase.
Prozessgase.

Prozessgase

  • Inerte Gase
  • Reaktive Gase für die Oberflächenmodifizierung (z. B. Sauerstoff-, Wasserstoff-, halogenhaltige Gase)
  • Schichtbildner (z. B. Silane/Siloxane, Alkane/Alkene, Fluoralkane/-alkene, Amino- und Acrylverbindungen)
Anlage zur kontinuierlichen Bandbehandlung von Bahnware und Fasern.
Anlage zur kontinuierlichen Bandbehandlung von Bahnware und Fasern.

Ausgewählte Anlagen

  • Anlage zur kontinuierlichen Bandbehandlung von Bahnware und Fasern
  • Parallelplattenreaktoren
  • Reaktoren zur Schlauchbehandlung
  • Anlage zur Plasma-Innenbeschichtung von Flaschen, Kanistern oder anedren grösseren Holkörpern
  • (Reaktives) Magnetron-Sputtern
  • Parylen®-Beschichtungsanlage in Kombination mit Plasmaverfahren

 

Oberflächen-, Partikel- und Polymeranalytik

Charakterisierung chemischer, physikalischer und morphologischer Eigenschaften von

  • Materialoberflächen
  • dünnen Schichten
  • Pulvern
  • Partikeln

Rolle-zu-Rolle-Verfahren: Beschichtung und Strukturierung

Rolle-zu-Rolle-Beschichtung
© Fraunhofer IGB
Rolle-zu-Rolle-Beschichtung von Folien.

Für die Rolle-zu-Rolle-Beschichtung von Folien und Textilien setzen wir am Fraunhofer IGB Plasmaprozesse, nasschemische und kombinierte Verfahren ein. Mit unserer Anlage V340-GKM von PINK GmbH Thermosysteme beispielsweise führen wir im Kundenauftrag Musterbeschichtungen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit bis zu 430 mm äußerer Breite durch. Zudem kann die Beschichtung von Folien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit zusätzlicher Strukturierung über Heißprägeverfahren erfolgen.

Schwerpunkte

  • Barriereschichten (Sauerstoff-, Wasserdampf-, Ölbarriere)
  • Schutzschichten (hydro-/oleophob, Anti-Fog, Anti-Schmutz, Korrosionsschutz, Kratzschutz)
  • Selbstklebende Anti-Eis-Folie

R2R-Verfahren

Für die Rolle-zu-Rolle-Beschichtung von Bahnware setzen wir Plasmaprozesse, nasschemische und kombinierte Verfahren ein. Mit unserer Anlage V340-GKM von PINK GmbH Thermosysteme beispielsweise führen wir im Kundenauftrag Musterbeschichtungen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit bis zu 430 mm äußerer Breite durch.

 

 

Zudem kann die Beschichtung von Folien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit zusätzlicher Strukturierung über Heißprägeverfahren erfolgen.