Rolle-zu-Rolle-Verfahren: Beschichtung und Strukturierung

Gegenüber der Ausrüstung von Folien im Kleinformat sind für die kontinuierliche Behandlung verschiedene Besonderheiten zu beachten.

Beispiel Polyurethanfolie

Am Beispiel wasser- und eisabweisend ausgerüsteter PU-Folien lassen sich die Übertragung von Batch-Prozessen zu  R2R-Prozessen und mögliche Verfahrenskombinationen illustrieren. Hierbei wird die Oberfläche zunächst strukturiert, anschließend erfolgt eine hydrophobe (wasserabweisende) oberflächenkonforme Beschichtung aus der Gasphase. Durch die Kombination von Strukturierung und Beschichtung konnten wir dabei den Wasserkontaktwinkel von 75° auf rund 160° erhöhen und damit eine superhydrophobe Oberfläche erzeugen, die qualitativ an die Ergebnisse anschließt, welche mit kleinformatigen Folien in Laborentwicklungen erzielt wurden.

Zur Oberflächenstrukturierung, sowohl im Kleinformat als auch R2R, setzen wir am Fraunhofer IGB vor allem das Heißprägen ein. Die optimalen Prozessparameter (Temperatur, Aufheiz- und Abkühlprofil, Prägedruck) sind von den Polymereigenschaften abhängig und werden von Fall zu Fall angepasst. Je nach Temperatur und Haltezeit bei hohem Druck erreichen wir in der Folie im R2RProzess Strukturhöhen zwischen 10 µm und 40 µm.

Strukturierung von kleinformatigen Folien

Beim Heißprägen von kleinformartigen Folien arbeiten wir mit einer Heißpresse, welche über einen Prägestempel die gewünschte Struktur auf die Folie überträgt. Bei der Heißpresse kann mit unterschiedlichen Temperaturstufen gearbeitet werden, um ein optimales Ergebnis zu erhalten: Beispielsweise kann die Folie in der Prägeeinheit unter geringer Pressung vorgewärmt werden, bevor sie nach wenigen Minuten zur Oberflächenstrukturierung voll belastet und dann in kontrollierten Temperaturschritten wieder entlastet wird.

Diese Verfahrensweise eins zu eins auf R2R zu übertragen wäre, wenn überhaupt, nur mit immensem technischen Aufwand und kaum kostendeckend möglich.

Aufskalierung der Strukturierung auf Rolle-zu-Rolle

Dem Heißprägestempel im Kleinformat entspricht im R2R-Prozess ein Kalander. Entsprechend können hier die Walzentemperatur, Pressung und Durchlaufgeschwindigkeit für eine optimale Verfahrensführung eingestellt werden. Zur schnellen Temperierung außerhalb des Kalanders kommen Infrarot oder Heißluft zum Einsatz. In welchem Parameterfenster R2R mit Folien gearbeitet werden kann, hängt vom Material und, z. B. bei Verbundfolien mit Adhäsivbeschichtung, vom Folienaufbau ab. Diese Gegebenheiten berücksichtigen wir bereits in der Frühphase der Entwicklung im Labormaßstab.

Beispiel Polyurethanfolie

Im Beispiel der wasser- und eisabweisenden Folien konnten wir auf diese Weise den statischen Wasserkontaktwinkel der verwendeten Polyurethanfolie von ca. 75° auf bis zu 135° erhöhen, ohne eine zusätzliche wasserabweisende Beschichtung vorzunehmen.

Plasmaverfahren werden zum Reinigen, Aktivieren, Funktionalisieren und Beschichten von Oberflächen eingesetzt. Bei Beschichtungsprozessen können ultradünne Schichten aus im Plasma aktivierten Monomeren direkt aus der Gasphase im Atmosphären- oder Niederdruck abgeschieden werden. Auch werden Plasmaprozesse zur chemischen Aktivierung des zu beschichtenden Materials vor einem nasschemischen Beschichtungsschritt (Bad- oder Sprühbeschichtung) eingesetzt.

Übertragung auf R2R

Werden Plasmaverfahren auf R2R übertragen, muss ein eventuelles Ausgasen der Bahnware berücksichtigt werden. Dies betrifft vor allem die Gasführung in der chemisch hochreaktiven Plasmazone. Der elektrische Leistungseintrag, die Verfahrgeschwindigkeit der Folie und weitere Prozessparameter werden so eingestellt, dass die Beschichtung bei bestmöglicher Schichtqualität mit möglichst hohem Durchsatz erfolgen kann.   

Beispiel Polyurethanfolie

Eine solche zusätzliche Plasmabeschichtung auf der vorstrukturierten Polyurethanfolie ermöglichte die weitere Steigerung des Wasserkontaktwinkels auf insgesamt rund 160° und damit eine superhydrophobe Oberfläche, die qualitativ an die Ergebnisse im Labormaßstab anschließt.

Jakob Barz, Georg Umlauf (2022) Roll-to-roll structuring and PECVD coating of polymer foils: Enhancement of hydrophobicity for various applications. Vakuum in Forschung und Praxis 34: 31-35. https://doi.org/10.1002/vipr.202200787

Die folgenden Anlagen setzen wir für die Prozessentwicklung und Screenings im Rahmen von Forschungsprojekten und im Kundenauftrag ein:

Funktionale Oberflächen verleihen Produkten und Werkstoffen neue Eigenschaften und eröffnen neue Anwendungsgebiete. Am Fraunhofer IGB entwickeln wir unter anderem funktionale Beschichtungen mit wasser-, öl- und schmutzabweisenden Eigenschaften. Auch Barriereschichten gegen Sauerstoff, Wasserdampf und unterschiedliche Chemikalien sowie verschiedene Schutzschichten können hergestellt werden.

Anti-Icing-Folien

Wasser- und eisabweisend ausgerüstete PU-Folien verhindern das Vereisen von Oberflächen. Das Basismaterial ist selbstklebend, transparent und erosionsstabil und somit zur Applikation auf Windrädern, Tragflächen, Skiern, Sensoren und vielen weiteren Oberflächen geeignet.

Barriereschichten

Die Ausrüstung von Folien mit Barriereschichten ist besonders bei Verpackungen gefragt. Die Schichten basieren häufig auf glasähnlichen Verbindungen, welche in Niederdruckplasmen R2R abgeschieden werden können.

Schutzschichten

Schutzschichten können entsprechend den Anwendungsanforderungen ausgestaltet werden. Hierzu zählen Korrosionsschutzschichten, Kratzschutz-/Gleitschichten u. v. m.