Entwicklung einer Anlagen- und Prozesstechnik für die Herstellung superhydrophober Oberflächen im Spritzgießverfahren

In vielen Bereichen der Biotechnologie, der Medizintechnik und der Kommunikationstechnologie streben Unternehmen nach hochwertigen Kunststoffbauteilen mit funktionalen Oberflächen. Oftmals werden diese Formteile in einem zweistufigen Prozess hergestellt, der sich in Urformen des Bauteils und nachgeschaltetem Funktionalisieren der Oberfläche gliedert. Wirtschaftlich attraktiver ist ein hybrider Prozess, bei dem Urformen und Funktionalisieren vereint werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Herstellungsprozess Spritzgießen bei konventioneller Prozessführung und bei variothermer Prozessführung hinsichtlich der erreichbaren Abformgenauigkeit und Funktionalität von mikrostrukturierten Kunststoffoberflächen untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Mikrostruktur in Anlehnung an die Struktur eines Lotusblattes zur Erzielung eines wasserabweisenden Effektes. Die Funktionalität wird durch Bestimmung des Kontaktwinkels bei Benetzung mit hochreinem Wasser bestimmt. Für eine hohe Abformgenauigkeit der Mikrostruktur im Spritzgießprozess ist eine dynamische Werkzeugtemperierung unerlässlich. Für die Untersuchungen wurde ein System zur geregelten externen induktiven Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen entwickelt. Mit Hilfe dieses Systems werden unter reproduzierbaren Versuchsbedingungen variotherme Abformungsuntersuchungen im Vollautomatik-Modus der Spritzgießmaschine durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen, dass bei variothermer Temperierung des Spritzgießwerkzeuges Formteile mit stark wasserabweisender Oberfläche hergestellt werden können. Eine spezielle Mikrostruktur und eine Abformung bei hohen Werkzeugtemperaturen sind ausschlaggebend für die Entstehung einer hochfunktionalen Oberfläche. Lediglich durch variotherme Prozessführung konnten superhydrophobe Oberflächeneigenschaften mit Kontaktwinkeln gegenüber Wasser von bis zu 168° erzielt werden. Bei variothermer Prozessführung sind spitze und in Entformungsrichtung verstreckte Mikrostrukturen erzeugbar. Diese verstreckten Mikrostrukturen bilden eine Art Härchenoberfläche, welche stark wasserabweisende Oberflächeneigenschaften zeigen. Die hier erarbeiteten Zusammenhänge geben detaillierte Hinweise, wie stark wasserabweisende Oberflächen direkt im Spritzgießprozess hergestellt werden können.