DE102013109621A1

DE102013109621A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit superhydrophober Oberfläche und Formkörper erhältlich mit diesem Verfahren und dessen Verwendung

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Publication number: DE102013109621A1
Application number: DE102013109621.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hopf; Hendrik Hölscher; Michael Röhrig; Marc Schneider; Matthias Worgull
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: EP2919966A1; US9738029B2; EP2919966B1; CA2891730A1; WO2014075761A1; DE102013109621B4; US20150306813A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers sowie einen Formkörper, der durch dieses Verfahren erhältlich ist und der zumindest teilweise eine superhydrophobe Oberfläche besitzt, die Krater aufweist, auf deren Oberkanten Polymerhärchen ausgebildet sind. Zur Durchführung des Verfahrens werden zunächst ein Verbund (21) aus einer ersten Platte (11) mit einer in eine Oberfläche der ersten Platte (11) eingepressten Polymerfolie (20’) sowie eine dritten Platte (13), die zumindest auf einer ihrer Oberflächen Rauheiten aufweist, bereitgestellt. Danach wird die dritte Platte (13) gegenüber der eingepressten Polymerfolie (20’) platziert, ohne dass die dritte Platte (13) den Verbund (21) berührt. Anschließend erfolgt ein Erwärmen der dritten Platte (13) auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des in der Polymerfolie (20’) enthaltenen Polymers, ohne dass der Verbund (21) erwärmt wird, und ein Inkontaktbringen der erwärmten dritten Platte (13) mit der der ersten Platte abgewandten Oberfläche der Polymerfolie (20’). Hierdurch dringt das Polymer aus der Polymerfolie (20’) teilweise in die Rauheiten der dritten Platte (13) ein. Das Strukturieren der der dritten Platte (13) zugewandten Oberfläche der eingepressten Polymerfolie (20’) erfolgt schließlich durch eine Relativbewegung, die die dritte Platte (13) von der ersten Platte (11) entfernt, solange die eingepresste Polymerfolie (20’) erweicht bleibt und sich hierdurch in die Länge ziehen lässt. Dadurch bildet sich ein modifizierter Verbund (21’) aus, der den gewünschten Formkörper umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers und einen Formkörper, der durch dieses Verfahren erhältlich ist.
Die Frage der Benetzbarkeit einer Oberfläche mit Wasser bildet die Basis für viele technische Lösungen in den Bereichen Dichtungen, selbstreinigende Oberflächen oder Trinkwassergewinnung. Hierfür hat die Natur bereits vielfältige Lösungen entwickelt, die oftmals aus einer Strukturierung bzw. einer ausgewählten chemischen Zusammensetzung der natürlichen Oberfläche resultieren.
Eines der bekanntesten Beispiele hierfür ist die Lotuspflanze, deren Blätter nach W. Barthlott und C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta 202, 1 (1997), mit mikrometergroßen Papillen besetzt sind, auf denen sich eine epicuticulare Wachsschicht befindet. Durch eine geeignete Kombination aus Strukturierung und Oberflächenchemie ergibt sich eine geringe Benetzbarkeit der Blätter der Lotuspflanze mit Wasser, worauf die berühmte Fähigkeit der Lotuspflanze zur Selbstreinigung basiert.
B. Bhushan und E.K. Her, Fabrication of Superhydrophobic Surfaces with High and Low Adhesion Inspired from Rose Petal, Langmuir 26(11), 8207 (2010) beschreiben, dass einige Rosenarten einen gegenteiligen Effekt besitzen. Diese Rosen haben auf ihren Blüten eine Oberfläche entwickelt, die eine große Menge Wasser speichern kann. Obwohl diese Oberflächen ähnlich wie die der Lotuspflanze mit einer feinen Wachsschicht belegt sind, führt eine davon abweichende Anordnung der darunter liegenden Mikrostruktur jedoch dazu, dass die Wassertropfen von den Rosenblütenblättern quasi festgehalten werden.
Nach A.R. Parker und C.R. Lawrence, Water capture by a desert beetle, Nature 414, 33 (2001), macht sich der Namibische Wüstenkäfer die Benetzbarkeit durch Wasser in besonderem Maße zu Nutzen. Um in der heißen Wüste genügend Wasser aufnehmen zu können, streckt er bei aufkommendem Nebel seine Flügel, die mit mikrometergroßen hydrophilen Erhebungen und hydrophoben Mulden bedeckt sind, in die feuchte Umgebung, woraufhin der Nebel an den Flügeln kondensiert und Tropfen formt, die, nachdem sie eine gewisse Größe erreicht haben, direkt in den Mund des Käfers laufen.
Um auf technische Weise superhydrophobe Oberflächen herzustellen, setzen J. Bekesi, J.J.J. Kaakkunen, W. Michaeli, F. Klaiber, M. Schoengart, J. Ihlemann und P. Simon, Fast fabrication of super-hydrophobic surfaces on polypropylene by replication of short-pulse laser structured molds, Appl. Phys. A 99, 691 (2010), ein Spritzgussverfahren ein, wozu regelmäßig angeordnete Strukturen dienen, deren Bereitstellung eine spezielle und teure Formeinsatzerzeugung erforderlich macht. Um die Strukturen oder deren Funktion zu ändern, ist die aufwändige Herstellung eines neuen Formeinsatzes erforderlich. Um Hinterschnitte zu erzeugen, müssen die Formeinsätze anschließend mittels eines zusätzlichen Verfahrensschrittes, insbesondere durch Laserablation, nachbearbeitet werden. Schließlich ist die damit erzielte Steigerung des Kontaktwinkels gering.
Die DE 10 2008 053 619 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines technischen Formkörpers. Hierzu werden eine Schicht eines aushärtbaren Kunststoffs zwischen zwei parallele, wärmeleitfähige Platten eingebracht, ein Pressdruck zwischen die beiden Platten angelegt und die beiden Platten aufgeheizt, so dass die Schicht auf eine Temperatur oberhalb des Glaspunkts des Kunststoffs erwärmt wird. Die beiden Platten unterscheiden sich dadurch, dass sie auf ihrer Oberfläche eine unterschiedliche Adhäsionskraft oder Rauheit aufweisen oder sie auf zwei verschiedene Temperaturen erhitzt werden. Anschließend werden die beiden Platten unter Beibehaltung der Temperatur auseinander gezogen, wodurch die Schicht an einer der beiden Platten haften bleibt, während sich an der anderen Platte eine Vielzahl von ersten Fäden ausbildet. Nach Aushärten des Kunststoffs wird ein Substrat, auf das eine Vielzahl von ersten Fäden aufgebracht ist, erhalten und zwischen zwei parallele, wärmeleitfähige Platten eingebracht. Nach Anlegen eines Pressdrucks und Aufheizen der beiden Platten auf eine Temperatur oberhalb des Glaspunkts werden die beiden Platten unter Beibehaltung der Temperatur auseinander gezogen, wodurch das Substrat an einer der beiden Platten haften bleibt, während sich an der anderen der beiden Platten eine Vielzahl von zweiten Fäden, deren Unterseiten jeweils fest mit der Oberfläche jedes ersten Fadens verbunden ist, ausbildet.
Der Begriff der Rauheit bezeichnet gemäß U. Fischer et al., Tabellenbuch Metall, 41. neubearbeitete und erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten (2002) eine Form der Gestaltabweichung, hervorgerufen durch Abweichungen der Ist-Oberfläche (messtechnisch erfassbare Oberfläche) von der geometrisch idealen Oberfläche, deren Nennform durch eine Zeichnung definiert ist. Eine solche Unebenheit einer Oberflächenhöhe wird messtechnisch erfasst und mittels der Parameter der mittleren Rauheit R_a und der gemittelten Rautiefe R_z zahlenmäßig charakterisiert. Diese Rauheitskenngrößen werden nach W. Beitz und K.-H. Grote, Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, 19. Auflage, Springer-Verlag Berlin (1997) ausgehend von der Bezugsoberfläche erfasst, die im Regelfall die Form der geometrischen Oberfläche hat und in ihrer Lage im Raum mit der Hauptrichtung der wirklichen Oberfläche übereinstimmt.
Der Parameter der mittleren Rauheit R_a entspricht dem arithmetischen Mittel der Abweichung eines Messpunktes auf der Oberfläche von der Mittellinie. Der Parameter der gemittelten Rautiefe R_z wird ermittelt, indem eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks in sieben gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt wird, wobei die Auswertung nur über fünf dieser Strecken erfolgt. Von jeder der Einzelmessstrecken wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert ermittelt und hieraus abschließend der Mittelwert gebildet.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers und ein damit erhältlicher Formkörper vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.
Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, mit dem sich auf möglichst einfache Weise superhydrophobe Oberflächen für eine Vielzahl von technischen Anwendungen herstellen lassen, wobei sich Art und Grad der Haftung der Oberfläche zu Wasser mittels ausgewählter Verfahrensparameter einstellen lassen. Die Aufgabe besteht insbesondere darin, einen Formkörper mit superhydrophoben Oberflächen bereitzustellen, die einen weitgehend vollständig wasserabweisenden Charakter aufweisen und/oder die aber Wassertropfen festhalten können.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren durch die Verfahrenschritte des Anspruchs 1 und in Bezug auf den damit erhältlichen Formkörper durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird ein Formkörper hergestellt, der eine superhydrophobe Oberfläche aus einem Polymer aufweist, die mittels eines besonders ausgestalteten Umformverfahrens erhältlich ist. Das eingesetzte Polymer selbst kann hydrophilen oder hydrophoben Ursprungscharakter aufweisen. Die Oberfläche des erfindungsgemäßen Formkörpers weist eine Kraterstruktur mit Kratern mit einem mittleren Durchmesser von 2 µm bis 250 µm und einer Höhe von 1 µm bis 500 µm auf, auf deren Oberkanten Polymerhärchen mit einer Länge von 0,5 µm bis 200 µm ausgebildet sind.
In einer ersten Ausgestaltung entspricht die Länge der Polymerhärchen dem 0,5-fachen bis 10-fachen der mittleren Durchmesser der Krater (siehe 2a und b)). Wie sich aus damit durchgeführten Versuchen ergab, weisen diese Strukturen einen weitgehend vollständig wasserabweisenden Charakter auf und ahmen durch ihre geometrische Ausprägung den Lotuseffekt nach.
In einer zweiten Ausgestaltung entspricht die Länge der Polymerhärchen dem 0,01-fachen bis 0,5-fachen der mittleren Durchmesser der Krater (siehe 2c)). Wie sich aus durchgeführten Versuchen ergab, ermöglichen diese Strukturen als Funktion der Dichte der Krater zusammen mit der Dichte der sich auf der Oberkante der Krater befindlichen Polymerhärchen keine oder eine hohe Haftung der Oberfläche des Formkörpers insbesondere zu Wasser. Bei geeigneter Wahl dieser Funktion lassen sich damit auf der Oberfläche des Formkörpers Strukturen ausbilden, die in der Lage sind, Wassertropfen festzuhalten.
Der Formkörper ist erhältlich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das die Verfahrensschritte a) bis d) umfasst.
In einem ersten Verfahrensschritt a) wird zunächst ein Verbund zwischen einer ersten Platte und einer Polymerfolie bereitgestellt. Unter einer Polymerfolie wird hier ein ebenes und ausgedehntes Gebilde aus einem Polymer, insbesondere ein thermoplastischen Polymer (Thermoplast), verstanden, das eine Dicke von 1 µm bis 10 cm, bevorzugt von 250 µm bis 2mm, aufweist.
Die Herstellung des Verbunds aus der ersten Platte und der Polymerfolie erfolgt vorzugsweise, indem hierzu zunächst die Polymerfolie zwischen die erste Platte und eine zweite Platte eingelegt wird. In der Praxis besitzt stets eine der beiden Platten (erste Platte) eine höhere Haftung zum Polymer, während die andere der beiden Platten (zweite Platte) eine geringere Haftung zum Polymer aufweist, insbesondere dann, wenn sie bereits eine polierte oder geschliffene Oberfläche besitzt, oder indem eine Trennschicht zwischen ihr und der Polymerfolie eingelegt wird. Um den Verbund aus der Polymerfolie mit der ersten, gut haftenden Platte zu erzeugen, werden anschließend vorzugsweise beide Platten auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g des in der Polymerfolie enthaltenen Polymers erhitzt, wobei das erweichte Polymer durch ein Aufbringen einer Prägekraft derart an die erste Platte gepresst wird, dass dadurch der Verbund aus der Polymerfolie mit der ersten Platte gebildet und abschließend Polymerverbund und Gegenplatte voneinander getrennt wird.
In einem zweiten Verfahrensschritt b) wird eine dritte Platte bereitgestellt, die Rauheiten besitzt, die über eine mittlere Rauheit R_a’ von 1 µm bis 20 µm, bevorzugt von 8 µm bis 15 µm, und über eine gemittelte Rautiefe R_z’ von 30 µm bis 100 µm, bevorzugt von 40 µm bis 50 µm, verfügen. Das Erzeugen der erforderlichen Rauheiten erfolgt vorzugsweise durch eine Einwirkung von Partikeln, bevorzugt Sandstrahlen, auf mindestens einer Seite der dritten Platte. Alternativ eignet sich ein Beschichten mindestens eines Teils einer Seite der dritten Platte mit einem hierzu geeigneten Klebstoff oder Monomer.
In einem dritten Verfahrensschritt c), der den eigentlichen Umformschritt darstellt, werden an der Oberfläche der Polymerfolie die oben beschriebenen gewünschten Strukturen erzeugt. Die dritte Platte dient im Umformverfahren als Formeinsatzplatte und wird demgemäß gegenüber dem in Verfahrensschritt a) erzeugten Verbund aus der ersten Platte und der Polymerfolie platziert, ohne bereits jetzt den Verbund zu berühren. Hieran anschließend wird die dritte Platte über die Glasübergangstemperatur T_g des in der Polymerfolie enthaltenden Polymers erwärmt, wobei der Verbund aus der ersten Platte und der Polymerfolie selbst nicht erwärmt wird. Tritt daraufhin die nun heiße dritte Platte in ihrer Eigenschaft als Formeinsatzplatte unter Krafteinwirkung mit der Polymerfolie in Kontakt, wird das Polymer aus der Polymerfolie teilweise in die bestehenden Rauheiten der dritten Platte eingepresst.
In einem vierten Verfahrensschritt d), der den Entformvorgang darstellt, wird die der dritten Platte zugewandte andere Oberfläche der Polymerfolie durch eine Relativbewegung zwischen der ersten Platte aus dem Verbund und der als Formeinsatzplatte dienenden dritten Platte strukturiert, solange die Polymerfolie, die sich im Verbund mit der ersten Platte befindet und daher durch die Relativbewegung mit erfasst wird, während des Entformvorgangs weiterhin erweicht bleibt, d.h. solange ihre Temperatur ungefähr der Glasübergangstemperatur entspricht, und sich hierdurch in die Länge ziehen lässt. Die Richtung der Relativbewegung ist hierbei im Wesentlichen antiparallel zur Richtung der Krafteinwirkung und senkrecht oder schräg bzgl. der mittleren Oberfläche der ersten Platte, einschließlich der damit im Verbund stehenden Polymerfolie, und der dritten Platte.
Die genaue geometrische Ausprägung der Strukturen wird hierbei durch eine fachmännisch geläufige Wahl eines Parametersatzes, der die folgenden Parameter

– Temperatur, auf die die dritte Platte während des Verfahrenschritts b) erwärmt wird,
– Rauheit der dritten Platte,
– Höhe der Kraft, mit der die heiße dritte Platte während des Verfahrenschritts b) in ihrer Eigenschaft als Formeinsatzplatte mit der Polymerfolie in Kontakt tritt,
– Haltezeit, während der die Kraft auf Polymerfolie einwirkt, und
– Entformgeschwindigkeit, mit der die Relativbewegung zwischen der ersten Platte aus dem Verbund und der als Formeinsatzplatte dienenden dritten Platte erfolgt,

Abhängig vom gewählten Parametersatz, insbesondere bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzbereichs des Polymers, erfolgt ein vorzugsweise rückstandsfreies Entformen (Ziehen) der eingepressten Polymerfolie von der noch erwärmten dritten Platte, wodurch dichte, feine Polymerhärchen gezogen werden (siehe 2a), die in Form einer Kraterstruktur angeordnet sind (siehe 2b). Durch ihre Art der geometrischen Ausprägung ahmen diese Strukturen den Lotuseffekt nach.
Bei einem anders gewählten Parametersatz, insbesondere bei einer Temperatur im Schmelzbereich des Polymers, führt ein Entformen der eingepressten Polymerfolie von der noch erwärmten dritten Platte zu einem Auseinanderreißen der Polymerschicht, wodurch feine Krater erzeugt werden, an deren Oberkante sich kleinste Polymerhärchen befinden (siehe 2c). Diese Strukturen ermöglichen als Funktion der Dichte der Krater zusammen mit der Dichte der sich auf der Oberkante der Krater befindlichen Polymerhärchen eine hohe Haftung der geformten Polymerschicht insbesondere zu Wasser.
Bei einem weiteren Parametersatz, insbesondere bei einer Temperatur, die zwischen den bisher beschriebenen Ausgestaltungen liegt, werden beim Entformen Krater erzeugt, an deren Oberkante sich längere Polymerhärchen befinden (siehe 2d), die im Vergleich zu einem mittleren Grad an Haftung der geformten Polymerschicht insbesondere zu Wasser führen.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die im vorliegenden Verfahren eingesetzte erste Platte und/oder zweite Platte und/ oder dritte Platte in Form einer Walze ausgestaltet. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht einen erheblich höheren Durchsatz bei der praktischen Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
Ein erfindungsgemäß ausgestalteter Formkörper lässt sich überall dort verwenden, wo Oberflächen gewollt oder ungewollt mit Wasser oder Feuchtigkeit bzw. wasser- oder feuchtigkeitsbasierten Stoffen oder Ölen oder ölhaltigen Flüssigkeiten in Kontakt kommen.
Ein erster Einsatzbereich sind selbstreinigende Oberflächen, die sich für eine Vielzahl von Produkten eignen, insbesondere für sterile Medizingeräten, im Laborbedarf, in der Lebensmittelindustrie, bei Plastikgeschirr, Vorratsdosen, Backformen und -papier; für schmutzabweisende Kleidung, bei selbstreinigenden Dachziegeln oder für vollständig entleerbare Klebeflaschen. Zu diesem Bereich gehören auch wasserabweisende Oberflächen, vorzugsweise in Dichtungen, als Anti-Beschlag, bevorzugt für Brillengläser, als Korrosionsschutz, indem ein Kontakt des Wassers mit der Oberfläche verhindert wird, als wasserabweisende Kleidung oder als innenstrukturierte Schläuche zur Verringerung der Reibung bzw. der Veränderung der Strömungseigenschaften
Ein zweiter Einsatzbereich ist die Lufthaltung, insbesondere als Korrosionsschutz unter Wasser, als Beschichtung für Schiffsrümpfe zur Verringerung der Reibung in Wasser, zur Reibungsminimierung im Wasser durch Lufthaltung der Strukturen mit dem Zweck der Treibstoffersparnis in der Schifffahrt.
Ein weiterer Einsatzbereich ist die Wasserhaltung, insbesondere zum Zurückhalten von Kondenswasser, bevorzugt in Räumen oder Flugzeugen, um einen Niederschlag des Kondenswassers in Passagierbereichen zu verhindern, als Wasserauffangbehälter, in Kinder-Lätzchen oder Windeln. Zu diesem Bereich gehört auch die Trinkwassergewinnung, insbesondere ein sog. Water-Harvesting nach dem Vorbild des eingangs genannten namibischen Wüstenkäfers, Zelte, die auch in trockenen Regionen Wasser der feuchten Umgebungsluft entziehen, oder die Bewässerungslandwirtschaft.
Ein weiterer Einsatzbereich sind die kanalfreie Mikrofluidik und Lab-on-a-chip Systeme, bei denen Tröpfchen mittels hydrophiler und/oder hydrophober Bereiche in einem Kanal bzw. über eine Oberfläche geführt werden.
Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden genannten Vorteile auf. Der Verzicht auf Formeinsätze mit einer geometrisch vorbestimmten Struktur erfordert nur einen geringen technischen Aufwand. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aufgrund seiner Einfachheit gut skalierbar und damit massentauglich.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte weisen eine Oberflächenstrukturierung auf, die bisher nur mittels des vorliegenden Verfahrens erzielbar sind. Insbesondere konnte in Versuchen nachgewiesen werden, dass damit eine Steigerung des Kontaktwinkels um bis zu 100° möglich ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte a) bis d);
2a) bis d) Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Formkörper mit superhydrophoben Oberflächen;
3a) Erfindungsgemäß mögliche Umwandlung eines hydrophilen Ausgangsmaterials in ein
b) Material, das superhydrophobe Kontaktwinkel auf- weist, ohne dass dabei eine chemische Modifizierung der Oberfläche stattfindet.
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Gemäß 1a) wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des ersten Verfahrensschritts a) eine Polymerfolie 20 aus Polycarbonat (PC) zwischen eine erste Platte 11 und eine zweite Platte 12 platziert. Hierbei besitzt die erste Platte 11 aufgrund ihrer rauen Oberfläche eine höhere Haftung gegenüber der Polymerfolie 20, während die zweite Platte 12 aufgrund ihrer geschliffenen Oberfläche eine geringere Haftung zur Polymerfolie 20 aufweist. Hieran anschließend werden beide Platten 11, 12 auf eine Temperatur oberhalb T_g erhitzt, so dass ein Aufbringen einer Prägekraft F das erweichte Polymer derart in die Rauheit der ersten Platte 11 hineinpresst, dass sich ein Verbund 21 aus der ersten Platte 11 mit der darin hineingepressten Polymerfolie 20’ ausbildet, der anschließend entformt wird.
Gemäß 1b) wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Verfahrensschritts b) eine dritte Platte 13 mit einer mittleren Rauheit R_a’ von 1 µm bis 20 µm und einer gemittelten Rautiefe R_z’ von 30 µm bis 100 µm durch eine Einwirkung von Sandstrahlen 30 auf eine Seite einer bereitgestellten Platte 10 hergestellt.
In 1c) ist Verfahrensschritt c) und damit der eigentliche Umformschritt im erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Hierzu wird die dritte Platte 13 als Formeinsatzplatte gegenüber dem in Verfahrensschritt a) erzeugten Verbund 21 aus der ersten Platte 11 und der darin hineingepressten Polymerfolie 20’ platziert, ohne dass die dritte Platte 13 bereits jetzt den Verbund 21 berührt. Hieran anschließend wird die dritte Platte 13 derart auf eine Temperatur oberhalb von T_g erwärmt, dass der Verbund 21 selbst nicht erwärmt wird. Sobald nun die heiße dritte Platte 13 als Formeinsatzplatte unter Einwirkung einer Kraft F mit der gepressten Polymerfolie 20’ aus dem Verbund 21 in Kontakt, dringt das Polymer aus der gepressten Polymerfolie 20’ teilweise in die bestehenden Rauheiten der dritten Platte 13 ein.
Gemäß 1d) wird in einem vierten Verfahrensschritt d) durch eine Relativbewegung v zwischen der ersten Platte 11 aus dem Verbund 21 und der als Formeinsatzplatte dienenden dritten Platte 13 die der dritten Platte zugewandte andere Oberfläche der in die erste Platte 11 hineingepresste Polymerfolie 20’ strukturiert. Entscheidend ist hierbei, dass die hineingepresste Polymerfolie 20’, die sich im Verbund 21 mit der ersten Platte 11 befindet und daher durch die Relativbewegung mit erfasst wird, während des Entformvorgangs weiterhin erweicht bleibt und sich hierdurch in die Länge ziehen lässt. Auf diese Weise bildet sich ein modifizierter Verbund 21’ aus, der den gewünschten Formkörper enthält. Aufgrund des gewählten Parametersatzes (s. o.) führt der Entformvorgang hier zu einem im Wesentlichen rückstandsfreien Entformen (Ziehen), wodurch dichte, feine Polymerhärchen gezogen werden, die in 2a) zu erkennen sind. Durch ihre geometrische Ausprägung ahmen diese Strukturen den Lotuseffekt nach, wobei auch hierbei gemäß 2b) die charakteristische Kraterstruktur zu erkennen ist.
In 1e) eine Variante des vierten Verfahrensschritts d) dargestellt, bei der ein anderer Parametersatz gewählt wurde, der zu einem Auseinanderreißen der Polymerschicht führt. 2c) zeigt, dass so feine Krater erzeugt werden, an deren Oberkante sich kleinste Polymerhärchen befinden. Diese Strukturen ermöglichen als Funktion der Dichte der Krater zusammen mit der Dichte der sich auf der Oberkante der Krater befindlichen Polymerhärchen eine hohe Haftung der geformten Polymerschicht insbesondere zu Wasser.
2d) zeigt eine weitere superhydrophobe Oberfläche mit einem weiteren Parametersatz, der zu Kratern führt, an deren Oberkante sich längere Polymerhärchen befinden, die zu einem mittleren Grad an Haftung der geformten Polymerschicht insbesondere zu Wasser führen.
3 belegt, dass mit dem vorliegenden Verfahren selbst für hydrophile Ausgangsmaterialien, wie hier Polycarbonat (PC), superhydrophobe Kontaktwinkel erhalten werden, ohne dass hierzu eine chemische Modifizierung der Oberfläche erforderlich ist. 3a) zeigt, wie ein Tropfen auf einer hydrophilen Oberfläche aus Polycarbonat einen Kontaktwinkel von ca. 72° ausbildet.
Mit einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Strukturierung wurde ein Formköper erhalten, der an seiner nun strukturierten Oberfläche, ohne dass hierzu eine Behandlung mit chemischen Substanzen erfolgte, superhydrophobe Eigenschaften aufweist. Diese zeigen sich, wie in 3b) dargestellt, insbesondere im beobachteten Kontaktwinkel von ca. 172°.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008053619 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Barthlott und C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta 202, 1 (1997) [0003]
B. Bhushan und E.K. Her, Fabrication of Superhydrophobic Surfaces with High and Low Adhesion Inspired from Rose Petal, Langmuir 26(11), 8207 (2010) [0004]
A.R. Parker und C.R. Lawrence, Water capture by a desert beetle, Nature 414, 33 (2001) [0005]
J. Bekesi, J.J.J. Kaakkunen, W. Michaeli, F. Klaiber, M. Schoengart, J. Ihlemann und P. Simon, Fast fabrication of super-hydrophobic surfaces on polypropylene by replication of short-pulse laser structured molds, Appl. Phys. A 99, 691 (2010) [0006]
U. Fischer et al., Tabellenbuch Metall, 41. neubearbeitete und erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten (2002) [0008]
W. Beitz und K.-H. Grote, Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, 19. Auflage, Springer-Verlag Berlin (1997) [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit den Verfahrensschritten a) Bereitstellen eines Verbunds (21) aus einer ersten Platte (11) mit einer in eine Oberfläche der ersten Platte (11) eingepressten Polymerfolie (20’), b) Bereitstellen einer dritten Platte (13), die zumindest teilweise auf einer ihrer Oberflächen Rauheiten aufweist, die eine mittlere Rauheit R_a von 1 µm bis 30 µm und eine gemittelten Rautiefe R_z von 20 µm bis 100 µm besitzen, c) Platzieren der dritte Platte (13) gegenüber der eingepressten Polymerfolie (20’), ohne dass die dritte Platte (13) den Verbund (21) berührt, anschließendes Erwärmen der dritten Platte (13) auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g des in der Polymerfolie (20’) enthaltenen Polymers, ohne dass der Verbund (21) erwärmt wird, und Inkontaktbringen der erwärmten dritten Platte (13) mit der der ersten Platte abgewandten Oberfläche der Polymerfolie (20’), wodurch das Polymer aus der Polymerfolie (20’) zumindest teilweise in die Rauheiten der dritten Platte (13) eindringt, d) Strukturieren der der dritten Platte (13) zugewandten Oberfläche der eingepressten Polymerfolie (20’) durch eine Relativbewegung, die die dritte Platte (13) von der ersten Platte (11) entfernt, solange die eingepresste Polymerfolie (20’) erweicht bleibt und sich hierdurch in die Länge ziehen lässt, wodurch sich ein modifizierter Verbund (21’), der den gewünschten Formkörper umfasst, ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbund (21) aus der ersten Platte (11) mit der in eine Oberfläche der ersten Platte (11) eingepressten Polymerfolie (20’) erzeugt wird durch Einbringen einer Polymerfolie (20) zwischen die erste Platte (11) und eine zweite Platte (12), die derart ausgestaltet sind, dass die erste Platte (11) eine höhere Haftung gegenüber der Polymerfolie (20) im Vergleich zur zweiten Platte (12) aufweist, und anschließendes Erwärmen der beiden Platten (11, 12) auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g, wodurch das erweichte Polymer unter Aufbringen einer Prägekraft derart an die erste Platte (11) gepresst wird, dass sich der Verbund (21) aus der ersten Platte (11) mit der darin eingepressten Polymerfolie (20’) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rauheiten der dritten Platte (13) durch Behandlung mindestens einer Oberfläche einer unbehandelten dritten Platte (10) mittels Beaufschlagung durch Partikel oder mittels Beschichten mindestens mit einem Klebstoff oder Monomer erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Rauheiten der dritten Platte (13) mittels Beaufschlagung mindestens eines Teils einer Oberfläche der unbehandelten dritten Platte (10) durch Sandstrahlen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die dritten Platte (13) zumindest teilweise auf einer ihrer Oberflächen Rauheiten aufweist, die eine mittlere Rauheit R_a’ von 1 µm bis 20 µm und eine gemittelten Rautiefe R_z’ von 30 µm bis 100 µm besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strukturieren der der dritten Platte (13) zugewandten Oberfläche der eingepressten Polymerfolie (20’) durch ein vollständiges Abziehen der eingepressten Polymerfolie (20’) von der noch erwärmten dritten Platte (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strukturieren der der dritten Platte (13) zugewandten Oberfläche der eingepressten Polymerfolie (20’) erfolgt, indem durch ein Abreißen der eingepressten Polymerfolie (20’) von der noch erwärmten dritten Platte (13) Teile der Polymerfolie (20’) an der dritten Platte (13) haften bleiben, die nicht Bestandteil des modifizierten Verbunds (21’), der den gewünschten Formkörper umfasst, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Platte (11) und/oder die zweite Platte (12) und/oder die dritte Platte (13) in Form einer Walze ausgestaltet sind.
Formkörper, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der zumindest teilweise eine superhydrophobe Oberfläche besitzt, die eine Kraterstruktur aufweist, wobei auf den Oberkanten der Krater Polymerhärchen ausgebildet sind.
Formkörper nach Anspruch 9, wobei die Krater einen mittleren Durchmesser von 2 µm bis 250 µm und eine Höhe von 1 µm bis 500 µm aufweisen, auf deren Oberkanten Polymerhärchen mit einer Länge von 0,5 µm bis 200 µm ausgebildet sind.