Silikonelastomere: Segen oder Fluch - Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht 11. Thementagung Grenz- und Oberflächentechnik: 15. - 17. September 2015 in Zeulenroda-Triebes Christopher Dölle Laura Schilinsky Ralph Wilken Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, IFAM, Bremen 0421/2246 -621 [email protected] Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Silikonelastomere: Segen oder Fluch? Silikone: Was ist ein Silikon? Silikonelastomer (Quelle: www.wikipedia) Silikon (Poly(organo)siloxane): Bezeichnung für eine Gruppe synthetischer Polymere, bei denen Siliziumatome über Sauerstoffatome verknüpft sind Hybride: Anorganisches Gerüst, organische Reste Poly(dimethylsiloxan) wichtigsten Produktklassen: Silikonelastomere, Silikonöle und Silikonharze Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Silikonelastomere: Segen oder Fluch? Eigenschaftsspektrum der SiIikone inerte Oberfläche mit hoher Polarität wasserabweisend hohe Trennwirkung (flüssige Trennmittel) leicht einstellbare mechanische (i.d.R. elastisch), chemischen und optischen Eigenschaften transparent geringe Temperaturabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften Anwendungsbereich -60°C bis min. +250°C, kurzzeitig 300°C Isolierende Eigenschaften flammhemmend physiologisch unbedenklich ausgezeichneten Biokompatibilität hohe Resistenz gegenüber Bakterien, Pilzen und Keimen geruchs- und geschmacksneutral positive haptische Eigenschaften (griffig) … Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Silikonelastomere: Segen oder Fluch? Anwendungsbeispiele Schuhwerk, allg. Sport und Freizeit Prothesen Medizin (Quelle: Orthopädie Schäfer) (Quelle: Tack Service) (Quelle: Invendo Medical) Lebensmittel/Haushalt Erotikbranche Automotive (Quelle: biw-Isolierstoffe) Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM (Quelle: Fun Factory) Silikonelastomere: Segen oder Fluch? Anwendungsbeispiele Medizin: medizinische Schläuche, medizinische Ballone und Bälge, Kompressoren, orthopädische Einlagen, Prothesen silikonisierte Planen für LKW, Überdachungen, Schirme oder Werbebanner Silikonschutzhüllen, Schutzmasken (Gasmasken), Bedienungselemente (Taster, Schalter) Erotikartikel Hülsen, Tüllen, Kabeldurchführungen oder Stecker, Stopfen, Dichtungsmaterialen (ORing, Dichtungsmatten) oder Verbindungselementen Automotive: Regensensor, Blenden, Ablagen, Schaltmatten und -folien, Scheibenwischer Alltag/Haushalt: Backformen, Backmatten, Schaber, Griffe, Taster (Fernbedienung) oder Schalter, Schalterabdeckungen, Türstopper, Sportprodukte, Silikonummantelungen, Schnuller Dämpfungselemente, Entkopplungselementen optische Linsen (OLED)… Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Silikonelastomere: Segen oder Fluch? Anwendungsvielfalt und Marktentwicklung seit 2005 durchschnittliches Umsatzwachstum des Silikonmarktes von 6,7% Prognose 2021: durchschnittlich 5,0% Zuwachs Marktstudie „Marktstudie Silikone“, Marktforschungsinstitut Ceresana Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Silikonelastomere: Segen oder Fluch? Nachteile der Silikonoberfläche hohe Gleit- und Haftreibungskräfte hohe Staubanhaftung (schwer zu reinigen) hohe Tackigkeit und Klebrigkeit (hohe Van- der Waals Kräfte, Kaltverschweißung) Hohe Migrierfähigkeit der Öle … geringe Klebbarkeit (inerte Oberfläche, eingeschränkte Klebstoffauswahl) Silikonklebstoffe geringe Festigkeit Aushärtungszeit / Ofenauslagerung Schlechte Reparaturfähigkeit (Silikonfuge) Cyanacrylat Primereinsatz kleine Flächen geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit geringe Beschichtbarkeit (Überlackierung, Bedrucken) Instabile Oberflächenaktivierung (Plasma) … Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation der Silikonoberfläche mittels VUV-Licht Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht VUV- Wechselwirkung mit Silikonelastomeren [Graubner et all. Macromolecules 2004, 37, p. 5936] SiOx-Grenzflächenmodifizierung („glass-like“) Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Oberflächenmodifizierung unbehandelt Xeradex – Excimerstrahler Hg-Niederdruckstrahler XERADEX 100W UVX 120 4C (Osram GmbH) Wahrnehmung veränderte Optik reduzierte Reibung veränderte Haptik modifizierte Härte … Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM (UV Technik Speziallampen GmbH, Dr. Höhnle AG) 172 nm milde Parameter 172 nm harte Parameter 185 nm milde Parameter 185 nm harte Parameter Luft N2 Luft N2 11,9 J/cm² 31,9 J/cm² 10,8 J/cm² 19,2J/cm² Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Reduzierung Gleitreibung (Tribologie) Reibungskoeffizient Referenz 1,65 172 nm milde Parameter 1,10 172 nm harte Parameter 0,71 185 nm milde Parameter 0,49 185 nm harte Parameter 0,26 reduzierte Haft- und Gleitreibung, weniger Stick-Slip verändertes Haptik- Erlebnis (Touch-Oberflächen) Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht reduzierte Klebrigkeit, reduzierter Oberflächentack 31kPas Belastungsdauer: 5 min Ablösezeit unbehandelte Referenz Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM > 24 h milde Bestrahlung < 40 min harte Bestrahlung 0s Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Reduzierte Staubanhaftung Polyamidfasern (0,3 mm Länge, schwarz) VUV-behandelt unbehandelt Reinigung der Oberfläche durch einfaches Abschütteln ausgeprägte Staubanhaftungen Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Oberflächenaktivierung – Erhöhung der Benetzbarkeit Silikonelastomer – VUV-Aktivierung (172nm) an Luft unbehandelt VUV-behandelt geringe Benetzbarkeit sehr gute Benetzbarkeit ⇒ Tröpfchenbildung ⇒ stabile Bedeckung Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht 12 Klebstoff: acrylatbasierter Haftklebstoff T-Schältest Silikon-Klebeband 10 30 8 20 6 4 2 0 Klebstoff: PUR T-Schältest Silikon-Silikon 40 Schälwiderstand [N/cm] Schälwiderstand [N/cm] Erweiterung der Klebstoffpalette 100% Adh. 100% KS.-Ü Referenz VUV (172 nm) Aktivierung Lagerungsstabil > 18 Monate Klebung (6 W) Konstantklima Wasser Klimawechseltest Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Schälwiderstand [N/cm] 40 100% Adh. 100% koh. Referenz VUV (172 nm) 10 0 Klebstoff: Epoxidharz T-Schältest Silikon-Silikon Vorteil 30 Neue Designs 20 10 0 Flexiblere Fertigung 100% Adh. 100% Koh. Referenz VUV (172 nm) Umweltschutz Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Kleben unter Primerverzicht Klebstoff: Cyanacrylat Stirnabzugtest Stahl-Silikon Zugfestigkeit [MPa] 1,2 Einsatzbereich 1,0 Medizinbereich 0,8 Lebensmittel 0,6 0,4 0,2 0,0 Referenz Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM 100% koh. >70% koh. mit Primer 600s,2 cm nach VUV 1% O2 Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Klebstofffreies Fügen von Silikonen durch Kaltverschweißen T-Schältest Silikon-Silikon ohne Klebstoff Schälwiderstand [N/cm] 50 40 30 20 100% koh. 10 0 unbehandelt nach VUV Verzicht auf Klebstoff kurze Bestrahlungszeiten Alterungs- und hydrolysestabil Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Modifizierung von Silikonölen Edelstahl, Kontamination mit Silikonöl; Klebung mit Delo PUR 9694 LightPLAS® - Beschichtungstechnologie Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht LightPLAS® - Funktionsbeschichtung Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht LightPLAS® - Funktionsbeschichtung Lokale Beschichtung Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Modifikation von Silikon mittels VUV-Licht Anwendungsfall: Traumaimplantat Vorteile der Zell-Haftungsreduktion leichtere Entnahme weniger Komplikationen kleinere Wunden, schnellere Wundheilung Zeit- und Kostenersparnisse unbehandelte Kontrolle LightPLAS® Funktionsbeschichtung Traumaimplantate Biologische Testung (Alexa-Phalloidin, 4',6-Diamidino-2-phenylindol) Klebtechnik und Oberflächen © Fraunhofer IFAM Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Segen oder Fluch? o Viele vorteilhafte Eigenschaften o Hohe Anwendungsvielfalt o Nachteile vor allem aufgrund der Oberflächeneigenschaften Silikonmodifikation o Modifikation der Oberflächeneigenschaften o VUV-Lichtquellen ermöglichen breites Feld der Oberflächenmodifikation o Beschichtungstechnologie: LightPLAS® - Das IGF-Vorhaben 17551 N der Forschungsvereinigung DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main - Das IGF-Vorhaben 17957 N der Forschungsvereinigung FOM Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizin, Werderscher Markt 15, 10117 Berlin wurden über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 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