Haftungseinschluss Fraunhofer-Forscher verbessern den Gecko-Effekt bei Kunststoffen

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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Mit einem patentierten Verfahren zur Mikro-Nano-Strukturierung hat das Fraunhofer-IMWS in Halle signifikante, wie es heißt, Verbesserungen der Haftungseigenschaften von Polymeren erzielt.

Wenn ein Gecko die Wände hochklettert, gelingt das durch die große Kontaktfläche der sogenannten hierarchischen und fibrillären Strukturen seiner Füße mit dem Untergrund. Einen ähnlichen Ansatz hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) für die Oberflächen von Polymeren angewendet. Die Kunststoffoberflächern werden dabei durch Heißprägen in eine hierarchische Struktur gebracht. Die Prägewerkzeuge sind aus Aluminiumoxid. Diese werden per Laser und durch ein selbstorganisierendes elektrochemisches Verfahren mikro- und nanostrukturiert, wie man erfährt. Auch für die Benetzbarkeit, die optische Reflexion, für eine Hydrophobierung sowie in puncto Recycelbarket bringe das Verfahren, bei dem solcherart strukturierte Oberflächen mittels Heißprägen oder Spritzgießen erzeugt werden können, viele Vorteile.

Nanostrukturierte Kunststoffoberflächen haften fast doppelt so gut

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), sagen die Forscher. Die Prägewerkzeuge aus Aluminiumoxid ließen sich einfach in bestehende Produktionsverfahren der Kunststoffverarbeitung integrieren. Das Abformen erfolgt bei hohen Temperaturen und niedrigem Druck. Nach dem Auskühlen (unter Belastung) kann man das geprägte Polymermaterial einfach vom Prägewerkzeug abziehen. Um den Prozess zu optimieren, wurden vom Fraunhofer-Team die idealen Verarbeitungstemperaturen durch die per Differenzialkalorimetrie (DSC) erhaltenen Glasübergangs- und Schmelztemperaturen der Kunststoffe ermittelt. Die Mikro- respektive Nanostruktur der Prägewerkzeuge und der damit in die Polymeroberfläche eingebrachte Negativabdruck mit feinsten Nanofilamenten wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Auf nassen Oberflächen (Keramik, Glas, Metall) konnte mit der Gecko-Methode eine Erhöhung der Haftkraft um bis zu 85,4 Prozent erreicht werden, wie man betont.

Interessante Aussichten für Verpackungsbereich und Optik

Die Oberflächenstrukturen lassen sich durch entsprechend gefertigte Werkzeuge außerdem individuell und zielgerichtet anpassen, was eine große Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Naheliegend ist diese Art der Funktionalisierung aus dem Gecko-Bereich für die Verpackungsindustrie, heißt es. Denn sie führe zur Verbesserung der Haftung von Klebern und Druckfarben auf Folien. Auch neue Ansätze, mit denen sich das Beschlagen von Kunststoffoberflächen verhindern lässt – interessant etwa für die optische Industrie – sind demnach denkbar. Als weiteren großen Vorteil sieht das Team an, dass neue Materialeigenschaften ohne Additive oder Beschichtungen erreicht werden können. Die so funktionalisierten Kunststoffe bleiben folglich sortenrein, was das Recycling erleichtert. Zulassungsverfahren – etwa für Lebensmittelanwendungen – brauche es nicht, weil solche Strukturen und die Kunststoffe selbst bereits dafür freigegeben seien.

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