Funktionale Folien und effiziente Beschichtungsprozesse von Fraunhofer-Instituten

Auf der ICE Europe zeigt das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP und dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Lösungen für Folien und das effiziente Steuern von Beschichtungsprozessen. Unter dem Motto "Funktionale Folien – effiziente Beschichtungsprozesse" werden neue Funktionen und beschleunigte Messverfahren vorgestellt.

Optisches Messsystem zur Inline-Kontrolle von Schichtdicke und Vernetzung organischer Beschichtungen (© Foto Fraunhofer IVV)

Beschichtungsprozesse erstmals inline steuern und kontrollieren: Mit einem neuen kostengünstigen, optischen Messverfahren können Beschichtungsprozesse zukünftig zu hundert Prozent gesteuert und vollflächig kontrolliert werden. Diese neue Entwicklung des Fraunhofer IAP und IVV wird erstmals auf der ICE Europe vorgestellt. Vernetzung und Schichtdicke von organischen Beschichtungen können durch eine automatisierte Anbindung des Messsystems an die Beschichtungsaggregate inline gemessen werden. Delaminationen, schlechtes Verarbeitungsverhalten von bahnförmigen Materialien oder eine erhöhte Migration von nicht durch Vernetzung gebundenen Klebstoff-Bestandteilen können dadurch verhindert werden.

Beschleunigtes Messverfahren für Hochbarrierefolien: Im Rolle-zu-Rolle-Prozess herstellbare Hochbarriereverbunde zur Einkapselung von flexiblen Solarzellen bzw. Elektronik sollen geringste Sauerstoff- und Wasserdampfpermeabilitäten aufweisen. Eine Herausforderung in der Qualitätskontrolle und Weiterentwicklung stellen die langen Messzeiten dar, die mehrere Monate dauern können. Das Fraunhofer IVV hat nun ein Ultrabarrieremessgerät und eine dazugehörige numerische Simulation entwi­ckelt. Damit kann die Wasserdampfdurchlässigkeit um den Faktor 3 bis 4 schneller bestimmt werden als mit herkömmlichen Methoden und der Permeationsvorgang simuliert werden.

Hochbarrieretechnologie weiter optimieren mit Atomlagenabscheidung: Das Fraunhofer IVV verfügt über eine neue Anlage zur Beschichtung mittels Atomlagenabscheidung, um die Permeabilität von Folien noch weiter zu reduzieren. Möglichst niedrige Durchlässigkeiten gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff sind in der Forschung und Entwicklung von Hochbarrieretechnologien der Schlüssel zum weiteren Optimierungserfolg. Den Weg dafür ebnet die Technologie der Atomlagenabscheidung (englisch atomic layer deposition ALD). Durch die Beschichtung im Rolle-zu-Rolle-Prozess werden eine hohe Prozessgeschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit ermöglicht.

Schichten mit der aktuell höchsten Barrierewirkung werden bisher in Vakuumprozessen erzielt. Mit der im Fraunhofer IVV neu zur Verfügung stehenden ALD-Anlage können die Barriereeigenschaften nochmal deutlich verbessert werden, um mittelfristig in den Bereich der Anforderungen für die OLED-Verkapselung vorzustoßen. Das Fraunhofer IVV nutzt die Technologie für öffentlich geförderte Forschungsprojekte und unterstützt Industrieunternehmen mit maßgeschneiderten Lösungen und Forschungsdienstleistungen in der Prozess- und Materialentwicklung.

In der Vereisungskammer testen Fraunhofer-Wissenschaftler, wie sich die Anti-Eis-Beschichtung auf das Gefrierverhalten von Wassertropfen auswirkt (© Foto Fraunhofer IGB)

Anti-Eis-Folien mindern Schäden durch Vereisung: Lagert sich auf den Rotorblättern von Windkraftanlagen Eis ab, kommt es zu einer Unwucht. Um Schäden zu vermeiden, müssen die Rotoren entweder beheizt oder die Anlagen abgeschaltet werden. Das Fraunhofer IGB hat verschiedene Anti-Eis-Ausrüstungen für Kunststoffoberflächen entwickelt. Wasserabweisende mikro- und nanostrukturierte Beschichtungen sorgen dafür, dass Wasser auch bei Temperaturen unter null Grad flüssig bleibt und die Eishaftung dadurch um 90 Prozent gegenüber unbeschichteten Oberflächen reduziert wird. Der Trick: Die Oberflächen bieten dem Wasser keine Kristallisationskeime. Die strukturierten Schichten scheiden die Forscher mittels Plasmatechnologien auf Kunststofffolien aus schlag- und stoßfestem Polyurethan (PU) ab. Das Verfahren ist nicht nur für Windkraftanlagen interessant: Auch die Tragflächen von Flugzeugen und Solarpaneele könnten mit diesen funktionalen Oberflächen beklebt werden. Daneben kann die Anti-Eis-Ausrüstung auch direkt auf Textilien und Kunststoffe aufgebracht werden.

Leichte Reinigung, bedruckbare Folien, wasserabweisende Textilien: Egal ob Oberflächen gefragt sind, die nur wenig verschmutzen und leicht zu reinigen sind, Folien, auf denen Gedrucktes auch hält, oder Textilien, die umweltschonend wasserabweisend ausgerüstet werden sollen: Um Oberflächen mit neuen Eigenschaften zu versehen, setzt das Fraunhofer IGB vor allem auf Plasmaprozesse. Auf diese Weise können Oberflächen abgetragen und damit gereinigt und chemische Funktionen oder Schichten aufgebracht werden. Durch Wahl und Steuerung der chemischen Prozesse können die Forscher am Fraunhofer IGB die Grenzflächenenergie und damit die Benetzungseigenschaften nach Wunsch anpassen.

"Intelligente" Materialien auch von der Rolle: Während die Eigenschaften der meisten synthetischen Materialien permanent festgelegt sind, vermögen sich viele biologische Systeme an ändernde Umweltbedingungen anzupassen. In Analogie zu einem solchen Verhalten wurden Materialien entwickelt, deren Eigenschaften sich durch äußere Reize »schalten« lassen. Derartige »intelligente« Materialien lassen sich durch viele physikalische oder chemische Reize wie Änderungen von Temperatur, Licht und pH-Wert oder durch Biomoleküle wie z. B. Proteine schalten. Erreicht wird das durch spezielle Polymere, die am Fraunhofer IAP entwickelt werden. Diese Entwicklungen werden ergänzt durch Oberflächentechnologien, die diese intelligenten Materialien auch in großem Maßstab als Bahnware zur Verfügung stellen. Neben klassischen Verfahren wie Corona oder Plasmabehandlung werden insbesondere Druckverfahren (vollflächig oder strukturiert) zum Funktionalisieren der Oberflächen eingesetzt.