Oberflächen nach Maß
Wissensbasiertes Beschichtungsdesign mit Photonen bei Atmosphärendruck
Funktionale Schichten durch photonische Prozesse – effizient und bei niedrigen Temperaturen
Wir entwickeln Beschichtungsverfahren, die auf Licht-induzierten Reaktionen basieren. Durch den Einsatz von (V)UV-Strahlung lassen sich funktionale Schichten gezielt und bei Atmosphärendruck und niedriger Temperatur herstellen, was besonders für temperaturempfindliche Materialien geeignet ist.
Photonenbasierte Beschichtung bei niedrigen Temperaturen
- Nutzung von (V)UV-Strahlung zur Initiierung von Polymerisationen und Konversionsprozessen
- Abscheidung organischer, anorganischer und hybrider Schichten
- Verarbeitung bei Atmosphärendruck und niedrigen Prozesstemperaturen
- Geeignet für empfindliche Substrate wie Polymere und funktionale Schichtsysteme
Steuerung von Schichteigenschaften durch Prozessparameter
- Untersuchung photonisch angeregter Reaktions- und Anregungsmechanismen
- Aufbau von Parameter-Wirkungs-Beziehungen
- Gezielte Einstellung von Struktur, Zusammensetzung und Funktionalität
- Kombination von Prozessentwicklung und Materialcharakterisierung
Anwendungen und industrielle Umsetzung
- Funktionale Schichten für Barrieretechnologien, Energie, Mobilität und Verpackung
- Entwicklung von Verfahren für temperaturempfindliche Materialien und flexible Systeme
- Validierung in Machbarkeitsstudien und Überführung in produktionsnahe Prozesse
Beitrag zu skalierbaren Beschichtungstechnologien
- Beschichtung bei Atmosphärendruck als Vorteil für industrielle Integration
- Energieeffiziente Prozesse durch niedrige Temperaturen und photonische Aktivierung
- Grundlage für großflächige und kosteneffiziente Anwendungen
- Enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern zur Umsetzung in die Praxis
Projekte
Accelerator – Beschleunigte Alterung komplexer polymerer Barrierematerialien für die Energiewirtschaft
Komplexe Polymerwerkstoffe, die in Leichtbaukomponenten der Wasserstoffwirtschaft oder der Photovoltaik eingesetzt werden, müssen neben chemischer Stabilität oft auch anspruchsvollen physikalischen Belastungen standhalten. Ein Beispiel hierfür sind Gasbarriereschichten, deren Aufbringung auch auf thermisch empfindlichen Substraten durch den Einsatz lichtgetriebener Beschichtungstechnologien möglich ist. Ziel des Vorhabens ist es, besser zu verstehen, welche strukturellen Eigenschaften dieser Materialien dazu führen, dass sie auch über lange Zeiträume sicher eingesetzt werden können. Dazu werden Gasbarriereschichten mittels UV-unterstützter Beschichtungsprozesse auf polymeren und metallischen Substraten aufgebracht und gezielt anwendungsrelevanten Alterungsszenarien ausgesetzt. Aus der strukturellen und chemischen Analyse der Materialveränderungen sollen Erkenntnisse über Material-Struktur-Beziehungen generiert werden, die auch für Unternehmen der sächsischen Wirtschaft nutzbar sind. Als Voraussetzung für derartige Untersuchungen werden experimentelle Aufbauten und Verfahren zur gezielten Materialalterung etabliert und zur Untersuchung von Schichtsystemen eingesetzt.
Gefördert durch Freistaat Sachsen (SAB) im Rahmen von EFRE/JTF 2021–2027 mit EU-Kofinanzierung
Flexible keramische Barriereschichten auf Papier
Das Gemeinschaftsprojekt Glass-Meets-Paper des PTS-Instituts für Fasern & Papier und des Leibniz-Instituts für Oberflächenmodifizierung (IOM) beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger Barriereschichten für Papier. Ziel ist es, hochwirksame, rein anorganische SiOₓ- sowie Hybridbarrieren auf flexiblen Papiersubstraten aufzubringen. Dazu werden flüssige Vorläuferverbindungen (Präkursoren) nasschemisch auf das Papier aufgetragen und anschließend mit hochenergetischer UV-Strahlung, sogenannter Excimer-Strahlung, in funktionelle Barriereschichten umgewandelt. Da das Verfahren ohne Vakuum auskommt, bietet es gute Voraussetzungen für eine spätere Integration und Skalierung auf Papiermaschinen.
Gefördert durch IGF
Accelerator – Beschleunigte Alterung komplexer polymerer Barrierematerialien für die Energiewirtschaft
Komplexe Polymerwerkstoffe, die in Leichtbaukomponenten der Wasserstoffwirtschaft oder der Photovoltaik eingesetzt werden, müssen neben chemischer Stabilität oft auch anspruchsvollen physikalischen Belastungen standhalten. Ein Beispiel hierfür sind Gasbarriereschichten, deren Aufbringung auch auf thermisch empfindlichen Substraten durch den Einsatz lichtgetriebener Beschichtungstechnologien möglich ist. Ziel des Vorhabens ist es, besser zu verstehen, welche strukturellen Eigenschaften dieser Materialien dazu führen, dass sie auch über lange Zeiträume sicher eingesetzt werden können. Dazu werden Gasbarriereschichten mittels UV-unterstützter Beschichtungsprozesse auf polymeren und metallischen Substraten aufgebracht und gezielt anwendungsrelevanten Alterungsszenarien ausgesetzt. Aus der strukturellen und chemischen Analyse der Materialveränderungen sollen Erkenntnisse über Material-Struktur-Beziehungen generiert werden, die auch für Unternehmen der sächsischen Wirtschaft nutzbar sind. Als Voraussetzung für derartige Untersuchungen werden experimentelle Aufbauten und Verfahren zur gezielten Materialalterung etabliert und zur Untersuchung von Schichtsystemen eingesetzt.
Gefördert durch Freistaat Sachsen (SAB) im Rahmen von EFRE/JTF 2021–2027 mit EU-Kofinanzierung
Publikationshighlights
P.C. With, T. Pröhl, J.W. Gerlach, A. Prager, A. Konrad, F. Arena, U. Helmstedt Hydrogen permeation through uniaxially strained SiOx barrier thin films photochemically prepared on PET foil substrates
Int. J. Hydrogen Energy 81 (2024) 405-410, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.249
Die Wasserstoffpermeation durch uniaxial gedehnte dünne SiOx-Gasbarrierefolien, die bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck durch UV-photochemische Umwandlung (Photokonversion) auf PET-Foliensubstraten präpariert wurden, wurde mit einem speziellen Messsystem untersucht. Die Wasserstoffpermeationsmessungen wurden in Abhängigkeit von der Anzahl der laminierten einzelnen SiOx-Barrierefolien, der Probentemperatur sowie der auf die Proben ausgeübten uniaxialen mechanischen Beanspruchung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Gesamtverbesserung der Wasserstoffbarriereeigenschaften sowohl für einzelne SiOx-Barrierefolien auf PET als auch für laminierte einzelne SiOx-Barrierefolien auf PET. Unter Dehnung verringern sich die Wasserstoffbarriereeigenschaften aufgrund von spannungsbedingter Rissbildung in den Barrierefolien. Diese Verschlechterung ist bei beanspruchten einzelnen SiOx-Barrierefolien am stärksten, kann jedoch durch Laminieren einzelner SiOx-Barrierefolien erheblich reduziert werden.
M. Rudolph, P. Birtel, T. Arnold, A. Prager, S. Naumov, U. Helmstedt, A. Anders, P.C. With
Low‐temperature atmospheric pressure plasma conversion of polydimethylsiloxane and polysilazane precursor layers to oxide thin films
Plasma Process Polym. (2023) e2200229, https://doi.org/10.1002/ppap.202200229
Diese Arbeit untersucht die Umwandlung von PDMS- und Polysilazan-Schichten in SiOx-Filme unter Verwendung von Atmosphärendruckplasma. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung hochwertiger Oxid-Dünnschichten bei niedrigen Temperaturen, was insbesondere für die Beschichtung temperaturempfindlicher Polymersubstrate relevant ist.
P.C. With, U. Helmstedt, L. Prager
Flexible Transparent Barrier Applications of Oxide Thin Films Prepared by Photochemical Conversion at Low Temperature and Ambient Pressure
Frontiers Mater. 7 (2020) 200, https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00200
Dieser Übersichtsartikel beschreibt das Potenzial photochemisch hergestellter Oxidschichten für den Einsatz als transparente Gasbarrieren für flexible Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt auf einer kostengünstigen photochemischen Herstellung bei Raumtemperatur und Normaldruck, die den Einsatz auf flexiblen Polymerfolien zur Verkapselung von Displays oder Solarzellen ermöglicht.
P.C. With, U. Helmstedt, S. Naumov, A. Sobottka, A. Prager, U. Decker, R. Heller, B. Abel, L. Prager
Low-Temperature Photochemical Conversion of Organometallic Precursor Layers to Titanium(IV) Oxide Thin Films
Chem. Mater. 28 (2016) 7715, https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b02757
Dieser Artikel beschreibt die Synthese von dünnen Titanoxid(IV)-Schichten bei niedriger Temperatur und Umgebungsdruck durch photochemische Umwandlung von metallorganischen Vorläufern. Durch die Vermeidung hoher Temperaturen können funktionelle Oxidschichten auf verschiedenen Substraten, darunter auch thermisch empfindlichen Polymerfilmen, abgeschieden werden.
Ausstattung
- MECADI Wasserstoffpermeationsmesssystem
- MOCON Sauerstofftransmissionsmesssystem
- MOCON Wasserdampftransmissionsmessystem
- VUV Spectrophotometer VM 502
- Verschiedene VUV- und UV-Lichtquellen für Oberflächenaktivierung und Schichtkonversion/-curing
- Nasschemische Beschichtungsverfahren (Rakel, Spincoating, Schlitzdüse, Walzen) mit folgender UV-assistierter Schichtkonversion im Labor und Pilotmaßstab
- Robotiksystem Photokonversion
Ansprechpartnerin:
