Änderung der Benetzungsfähigkeit und der Barriereeigenschaften von Biokunststoffen durch plasmagenerierte amorphe Kohlenstoffbeschichtungen

Zeitraum: 01.04.2018 - 30.11.2021
Status: abgeschlossen

Das Projekt zielt darauf ab, die Oberfläche verschiedener Biokunststoffe (PLA, PHBV, PCL, PBAT) mit einer DLC- Beschichtung zu versehen, um deren Barriereeigenschaften und Benetzbarkeit zu modifizieren. Die Besonderheit des Forschungsansatzes liegt darin, dass entgegen den üblicherweise applizierten heterogenen Zwischenschichten, allein die Plasmaprozessparameter modifiziert werden und somit die Eigenschaften des abgeschiedenen DLC variiert werden können.Die marktverfügbare DLC-Beschichtung, namentlich FMC (flexible medical carbon), ist speziell geeignet für weiche polymere Substrate, und wird auf den o.g. Biokunststoffen mittels Rf-PECVD Prozess appliziert. Die Schichteigenschaften werden durch die Anpassung der Plasmaparameter (z. B. Rf-Anregungsenergie, Abscheidedauer, etc.) modifiziert und im Anschluss hinsichtlich der Schichtdicke, Rauigkeit (AFM und REM), chemischer Zusammensetzung mit Hilfe von XPS, NEXAFS und FTIR Spektroskopie, sowie Wasserdampfpermeation und Oberflächenbenetzbarkeit mittels Kontaktwinkelmessungen analysiert.Wir werden hauptsächlich relative dünne Beschichtungen im eng begrenzten Bereich von 20 - 50 nm aus verschiedenen Gründen untersuchen. Erstens, in diesem Schichtdickenbereich werden die größten Änderungen des Kontaktwinkels erwartet, d.h. sie werden hier im Vergleich zum Ausgangsmaterial ein Minimum durchlaufen und werden sich wiederum ebenfalls von dickeren Schichten unterscheiden. Zum zweiten, wir nehmen an, dass bereits solch dünne Schichten genügen, um geeignete DLC-Schichten zu erhalten. Das bedeutet, dass die Gasbarriereeigneschaften gegenüber den unbeschichteten Materialien deutlich verbessert sind. Abgesehen davon, führt die dünne und flexible Beschichtung (und somit wenig Eigenspannung der DLC-Schicht) möglicherweise zur Vermeidung von Mikrorissen in der Oberfläche, die die Barriereeigenschaften nachteilig beeinflussen würden.Die Probenorientierung zur Plasmaquelle spielt während des Plasmaprozesses eine entscheidende Rolle. Deren Auswirkungen sollen speziell für die FMC-Beschichtung an den gewählten Biokunststoffen überprüft werden. Ausgehend von den beiden uns bekannten Positions-Extremen, nämlich dem r-DLC-Typ (Probe direkt zur Plasmaquelle gerichtet) und dem f-DLC-Typ (Probe abgewandt zur Plasmaquelle), wird die Probenposition während der Beschichtung zwischen diesen beiden Möglichkeiten variiert. Zur Abscheidung der flexiblen FMC-Beschichtung rotiert dabei die Probe vor der Plasmaquelle und bedeutet somit eine sich wiederholende Probenposition zwischen den beiden Extrempositionen. Die resultierenden Schichteigenschaften, insbesondere die Wasserdampfpermeation und Benetzbarkeit, werden im Detail in Abhängigkeit der Abscheideparameter untersucht.


Finanzierung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Literatur

Veröffentlichungen

Schlebrowski, T.; Beucher, L.; Bazzi, H. et al.
Prediction of a-C:H layer failure on industrial relevant biopolymer polylactide acide (PLA) foils based on the sp2/sp3 ratio
Surface and Coatings Technology. Bd. 368. Elsevier BV 2019 S. 79 - 87