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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerbauteilen, bei denen Partikel eines vom Bauteilwerkstoff abweichenden Werkstoffs in den Bauteilwerkstoff eingebettet sind. Die Partikel sind dabei ausschließlich in einem oberflächennahen Bereich im Bauteilwerkstoff eingebettet.
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In der Kunststoffverarbeitung hergestellte geformte Bauteile finden in unterschiedlichsten Einsatzgebieten Anwendung. Entsprechend breit ist sowohl die Palette der verwendeten Kunststoffe als auch die Anzahl an Materialien und Verfahren zur verwendungsgemäßen Funktionalisierung der Bauteile oder Bauteiloberflächen. Dies ist notwendig, da das Material oder der Kunststoff den gewünschten Anforderungen nicht immer entspricht. Die Modifizierung kann dafür, je nach Anwendung, mittels Beschichtung oder Herstellung eines Kompositwerkstoffs/-materials durch Additive bzw. Füllstoffe erfolgen. Beim Herstellen eines Kompositwerkstoffs/-materials werden meist die mechanischen und optischen Eigenschaften des Bauteils verändert, was nicht immer erwünscht ist. Zudem ist der benötigte Werkstoff-/Materialaufwand des Füllstoffs recht hoch. Füllstoffe, die auch Partikel sein können, sind dabei über das gesamte Bauteilvolumen verteilt vorhanden.
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Es ist auch bekannt, Bauteile mit einer Beschichtung an der Oberfläche zu versehen. Beim Beschichten werden hohe Anforderungen an das Bauteil (Topografie, Orientierung, chem. Struktur, geringer Anteil Gleitmittel, Beschichtungs- Temperaturbeständigkeit, usw.) gestellt, was die Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Bauteilwerkstoffe/-materialien und Schichtwerkstoffe/-materialien stark einschränkt.
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Dabei werden eine bzw. mehrere dünne Schichten mit unterschiedlichen Funktionen aufgebracht. Es gibt Auftragsverfahren aus der flüssigen Phase (Lackieren, Galvanisieren, etc.) oder aus der Gasphase (Bedampfen, Sputtern, etc.). Die Kombinationsmöglichkeiten sind jedoch in der Regel eingeschränkt, da die für die Beschichtung notwendigen Temperaturen (Beschichtungstemperatur oder auch Temperaturen für das Trocknen) auf den Formteilwerkstoff hinsichtlich (Temperaturbeständigkeit, bzw. Formstabilität) abgestimmt werden müssen. Bei dem Beschichten aus der flüssigen Phase sind die Benetzung, Lösemittelverträglichkeit und das Trocknungsverhalten der Schichten stets kritische Parameter. Beim Verdampfen (Vakuumprozess) ist das Ausgasen von bestimmten Polymeren beim Evakuieren der Vakuumkammer eine große Herausforderung. Zudem stellt die konformale, homogene und abschattungsfreie Abscheidung auf dreidimensionalen Substraten oftmals eine große Hürde dar.
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Beschichtungen weisen eine Grenzfläche zwischen der Schicht und der Oberfläche eines Bauteils auf, an der sich Eigenschaften sehr stark verändern. Zudem ist die Schichthaftung am Basisbauteil kritisch zu sehen.
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Bei der Herstellung von Bauteilen aus Kompositwerkstoff/-material erfolgt die Zugabe von Füllstoffen während der Herstellung bzw. Verarbeitung zu dem Matrixwerkstoff/-material, aus dem Bauteile hergestellt werden. Mit Füllstoffen können gewünschte Eigenschaften eingestellt werden. Diese Eigenschaften können sich auf den Herstellungsprozess beziehen (Additive, wie Gleitmittel oder Antiblockiermittel) oder aber auf die spätere Anwendung (Färbemittel, Antistatika, Antioxidantien, Lichtschutzmittel). Bei der Herstellung eines Bauteils aus Kompositwerkstoff/-materials sind dabei der hohe Materialbedarf, sowie die Veränderung der, elektrischen, optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Matrixwerkstoffs/-materials nachteilig. Kompositwerkstoffe/-materialien unterscheiden sich bezüglich der Verarbeitbarkeit deutlich von den ungefüllten Rohstoffen.
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Aus
US 2012/0040775 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Golfbällen bekannt, bei dem mit entfernbaren Partikeln Leerstellen und Hohlräume ausgebildet werden sollen.
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Die
DE 10 2010 034 406 A1 betrifft ein Verfahren für die Herstellung von Lüftern, bei dem mit Nanopartikeln an der Oberfläche eine Oberflächenstruktur ausgebildet werden soll. Dies trifft für andere Spritzgusskörper auch auf die Offenbarung von
DE 102 10 673 A1 zu. Es sollen dadurch verbesserte Selbstreinigungseigenschaften erreicht werden.
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So sind aus
US 5 736 081 A ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kompositmaterialien, die feste Partikel enthalten bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von geformten Bauteilen anzugeben, die ausschließlich an der Oberfläche und im oberflächennahen Bereich Partikel eines vom Bauteilwerkstoff abweichenden Werkstoffs aufweisen und ansonsten die Eigenschaften des Bauteils vom Bauteilwerkstoff bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Partikel auf eine Oberfläche im Inneren eines Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles aufgebracht.
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Anschließend wird der Bauteilwerkstoff in plastisch verformbarer Konsistenz in das Formwerkzeug eingebracht oder eingefüllt, wobei der Bauteilwerkstoff in Poren oder Zwischenräume zwischen den auf eine Oberfläche aufgebrachten Partikeln eindringt. Nach einer Aushärtung wird das Bauteil mit den in oberflächennahen Bereichen eingebetteten Partikeln aus dem Formwerkzeug entfernt.
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Als Bauteilwerkstoff kann ein plastisch verformbares Polymer oder eine Polymerschmelze eingesetzt werden.
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Als Partikel können metallische, keramische oder bei der Verarbeitungstemperatur feste oder im Bauteilwerkstoff nicht oder nur teilweise lösbare organische Partikel eingesetzt werden. Organische Partikel können dabei beispielsweise eine höhere Erweichungstemperatur als der Bauteilwerkstoff aufweisen.
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Die Partikel können in einer Suspension auf eine Oberfläche des Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles aufgetragen werden, was durch Sprühen, Tauchen, Aufschleudern, Drucken und Streichverfahren erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt ein direkter Auftrag von Partikeln auf eine Oberfläche des Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles. Dieser kann erfindungsgemäß durch ein CVD-Verfahren realisiert werden. Erfindungsgemäß können auch mittels Flammen Spray Pyrolyse gebildete Partikel ebenfalls unmittelbar nach deren Bildung auf eine Oberfläche des Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles aufgebracht werden.
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Der Bauteilwerkstoff kann vorteilhaft mit erhöhtem Druck in das Formwerkzeug eingebracht werden. Es können aber auch auf den im Formwerkzeug aufgenommenen Bauteilwerkstoff Druckkräfte ausgeübt werden. Im letztgenannten Fall können auf den im Formwerkzeug enthaltenen noch plastisch verformbaren Bauteilwerkstoff Druckkräfte mit einem Druckstempel, hydraulisch oder pneumatisch durch erhöhten Flüssigkeits- oder Gasdruck ausgeübt werden.
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Die Partikel sollten mit einer Tiefe von maximal 0,1 mm, von der Oberfläche des Bauteils ausgehend, in den Bauteilwerkstoff eingebettet werden. Eine ausschließlich oberflächennahe Einbettung der Partikel in den Polymerwerkstoff ist anzustreben. Es können Partikel mit einem maximalen Durchmesser von 0,01 mm, bevorzugt maximal 0,0001 mm eingesetzt werden.
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In vielen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, nicht die gesamte Oberfläche eines Bauteils, sondern nur bestimmte ausgewählte Oberflächenbereiche mit Partikeln zu versehen. So können Partikel lediglich auf vorgegebene Bereiche der Innenwand eines Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles aufgebracht werden. Dies kann unter Einsatz mindestens einer Schablone oder Maske erreicht werden, mit denen eine Abschattung von nicht zu beschichtenden Oberflächenbereichen beim direkten Auftrag der Partikel oder mittels Schablone beim Auftrag, möglich ist. Hierfür können auch elektrostatische Kräfte genutzt werden, wenn lediglich eine geeignete elektrische Aufladung an bestimmten Oberflächenbereichen eines Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles erfolgt, an denen dann Partikel mit entsprechend entgegengesetzter elektrischer Ladung anhaften. Ein strukturierter Auftrag kann auch durch entsprechend ausgebildete Düsenformen, ähnlich wie beim Tintenstrahldruck beispielsweise unter Einsatz feiner FSP- oder CVD-Düsen erfolgen. Es kann auch ähnlich, wie bei den an sich bekannten Air-Brush-Techniken, insbesondere Suspensionen in denen Partikel enthalten sind, aufgetragen werden. Die Partikel können auch über bekannte thermokinetische Beschichtungsverfahren, z.B. thermisches Spritzen, Suspensionsspritzen etc., aufgetragen werden.
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Prinzipiell besteht natürlich die Möglichkeit der elektrostatischen Bindung von Partikeln an der gesamten Oberfläche eines Formwerkzeuges oder mehrerer Formwerkzeugteile zu nutzen, um nach dem Übertrag die gesamte Bauteiloberfläche mit Partikeln zu modifizieren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile hergestellt werden, bei denen Partikel ausschließlich in oberflächennahen Bereichen im Bauteilwerkstoff eingebettet und dort integriert sind. Dabei können verschiedene Verfahren (Urformen, Umformen) genutzt werden, bei denen der zu formende Bauteilwerkstoff in ein formgebendes Werkzeug eingebracht und dort die Formgebung des jeweiligen Bauteils erreicht wird. Bei dem zu formenden Werkstoff kann es sich um ein erweichtes plastisch verformbares Polymer, ein Polymer dessen Oberfläche plastisch verformbar ist, eine Polymerschmelze, polymerisierbare Vorstufen (Monomere etc.) oder Monomer- bzw. Polymerlösungen handeln.
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Da die Veredelung der Bauteiloberflächen zudem mit verschiedensten Partikelwerkstoffen und -geometrien realisiert werden kann, ist die Herstellung einer breiten Anzahl an unterschiedlich ausgebildeten und konfigurierten Bauteilen möglich. Es können sphärische, plättchenförmige oder drahtförmige Partikel eingesetzt werden.
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Das Verfahren kann in drei Teilschritte unterteilt durchgeführt werden. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt ein Auftrag einer Schicht mit Partikeln auf eine innere Oberfläche eines Formwerkzeuges oder Formwerkzeugteiles (z.B. ein Spritzgusswerkzeug).
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Der Auftrag kann dabei mit einer Partikel enthaltenden Suspension erfolgen. Alternativ können die Partikel direkt abgeschieden oder auf die Wand eines Formwerkzeugs oder Formwerkzeugteiles aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise mittels Flammen Spray Pyrolyse, CVD, o.ä. erfolgen.
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Die Partikel sollten dabei keine vollständige dichte und geschlossene Schicht bilden.
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Bei der Verwendung von Suspensionen kann die mit Partikeln gebildete Schicht durch den Auftrag der Suspension auf eine ggf. beheizte Oberfläche eines Formwerkzeugs ausgebildet werden. In der Suspension evtl. enthaltene Additive (z.B. Tenside) sollten nach dem Auftrag entfernt, insbesondere ausgewaschen werden. Der direkte Auftrag von Partikeln erlaubt es, auf diesen nachträglichen Entfernungs-, Waschschritt zu verzichten, da die jeweiligen Partikel aus der Gasphase chemischer Verbindungen, in denen ein chemisches Element enthalten ist, mit dem Partikel aus diesem chemischen Element oder einer chemischen Verbindung dieses chemischen Elements erhalten werden können, direkt auf einer Oberfläche eines Formwerkzeuges abgeschieden werden können. Dabei entfällt der Aufwand für die Herstellung einer Partikel enthaltenden Suspension und ggf. dem Auswaschschritt
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In einem zweiten Schritt erfolgt eine oberflächennahe Integration der Partikel durch Schichtübertrag. Dies kann mittels Urformen (z.B. Spritzguss, Gießen aus Schmelze) erreicht werden. Dabei wird das mit Partikeln an einer Oberfläche beschichtete Formwerkzeug mit einer Schmelze eines thermoplastisch verarbeitbaren Polymers in Kontakt gebracht und zum Erhalt der Formbeständigkeit abgekühlt oder mit Energie beaufschlagt.
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Es kann aber auch mittels Umformen (z.B. Pressen) erreicht werden. Dabei wird das an einer Oberfläche beschichtete Formwerkzeug gegen ein, oberhalb der Vicat-Erweichungstemperatur, erhitztes Formteil gepresst. Die Vicat-Erweichungstemperatur wird nach DIN EN ISO 306 bei einer Heizrate von 120 K/h bestimmt. Durch die Veränderung der Formstabilität erhöht sich die Fließfähigkeit und damit ist eine Integration der Partikel in die Bauteiloberfläche möglich. Nach Unterschreitung der Vicat-Erweichungstemperatur wird das Bauteil bzw. dessen Oberfläche wieder formstabil und die in den Bauteilwerkstoff migrierten Partikel sind fest in der Polymeroberfläche integriert.
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Die Herstellung kann auch mit einer Lösung eines Polymers erfolgen. Auf eine mit Partikeln beschichtete Oberfläche eines Formwerkzeuges wird dazu eine Polymerlösung gegossen und durch Entfernen des Lösungsmittels wird das Polymer ausgehärtet. Nach dem Aushärten kann das Bauteil entformt werden.
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Bei der Herstellung von Bauteilen mit einem Monomer kann das beschichtete Formwerkzeug als Wand einer Polymerisationskammer eingesetzt werden, in die eine polymerisierbare, flüssige Mischung aus Monomer und Initiator gefüllt wird. Die Aushärtung kann durch thermische oder strahlungsinitiierte Polymerisation erfolgen.
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In allen drei Fällen kann der plastisch verformbare Bauteilwerkstoff in das „offene“ Netzwerk der mit Partikeln auf einer Formwerkzeugoberfläche gebildeten Schicht eindringen und umschließt die Partikel.
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In einem dritten Schritt erfolgt eine Trennung des Bauteils vom Formwerkzeug. Dabei wird das ausgehärtete Bauteil von dem Formwerkzeug gelöst, wobei Partikel in der Oberfläche des Bauteils im Bauteilwerkstoff eingebettet verbleiben. Formwerkzeugteile können beim Entformen voneinander wegbewegt und getrennt werden.
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Ein fertig hergestelltes Bauteil weist einen Kern auf, der ausschließlich bzw. im Wesentlichen allein aus dem eigentlichen Bauteilwerkstoff gebildet ist. Lediglich in einem oberflächennahen Bereich sind die Partikel in einer Matrix, die aus dem Bauteilwerkstoff besteht, enthalten. Dabei verändern sich die Eigenschaften des Bauteils lediglich in diesem die Partikel enthaltenden oberflächennahen Bereich des Bauteils, ohne dass sich eine scharfe Grenzfläche ausbildet, an der sich die mechanischen, elektrischen, thermischen und optischen Eigenschaften abrupt verändern. Es erfolgt lediglich ein gradierter Übergang, der durch die Konzentration an Partikeln pro Volumen im Bauteilwerkstoff beeinflusst wird. Es tritt beispielsweise keine sprunghafte Veränderung des optischen Brechungsindex ausgehend von der Oberfläche in das Innere des Bauteils hinein auf, wie dies bei einer dauerhaft auf einer Bauteiloberfläche aufgebrachten Beschichtung der Fall wäre.
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Es können auch Bauteile erhalten werden, die lediglich an der Oberfläche in mindestens einem Bereich elektrisch leitend sind und der Rest des Bauteils aber keine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Mit Partikeln in optisch transparenten Bauteilen kann der Farbeindruck beeinflusst werden.
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Generell bleiben die Eigenschaften im Inneren eines erfindungsgemäß hergestellten Bauteils des Bauteilwerkstoffs erhalten.
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Im Unterschied zu einem Werkstoffkomposit basierten Verfahren, bei denen Partikel im gesamten Bauteilvolumen vorkommen, ergibt sich der Vorteil, dass auf diese Weise ein geringerer Bedarf der entsprechenden Partikel erforderlich ist. Gleichzeitig werden die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Bauteilwerkstoffs, wenn überhaupt nur geringfügig beeinflusst.
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Im Unterschied zu Beschichtungen, bei denen realisierbare Beschichtungsparameter, wie Temperatur, verwendetes Lösungsmittel u.a. sehr stark vom Werkstoff des Bauteils abhängen, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine vielfältige Kombination unterschiedlichster Partikel (Werkstoffe und Geometrien) und polymere Bauteilwerkstoffe möglich.
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Durch Integration der Partikel in die Bauteiloberfläche können ferner negative Eigenschaften, wie beispielsweise geringe Abriebbeständigkeit, Sprödigkeit oder zusätzliche scharfe Grenzflächen vermieden werden.
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Im Spezialfall ist es möglich, optisch transparente Bauteile herzustellen. Dies kann durch Verwendung optisch transparenter Matrixwerkstoffe, aus denen ein Bauteil hergestellt werden soll, und Werkstoffen von Partikeln, die im sichtbaren Spektralbereich elektromagnetische Strahlung nicht absorbieren oder aufgrund ihrer geringen Größe (<100 nm) nur geringe Lichtstreueffekte zeigen, realisiert werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in einem Übertrag von strukturiert abgeschiedenen oder aufgetragenen Partikeln (z.B. durch Verwendung von Masken oder Schablonen). Dies ermöglicht die Herstellung von Bauteilen, die ortsaufgelöst strukturierte Oberflächenveränderungen/-veredelungen aufweisen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung transparenter und intransparenter Bauteile aus Polymeren mit formgebenden Herstellungsverfahren möglich. Es können Bauteile hergestellt werden, die optisch transparente, beheizbare Oberflächen, Oberflächen mit speziellen optischen Eigenschaften (Absorption, Reflexion, Lichtein-, Lichtauskopplung) aufweisen. Es ist auch eine Oberflächenfunktionalisierung für Druck- und Klebeaufgaben (hydrophile Kunststoffoberflächen) möglich. Erfindungsgemäß hergestellte Bauteile können auch in der Medizintechnik (Biokompatible Oberflächen oder antimikrobielle Oberflächen) eingesetzt werden. Eine antimikrobielle oder antibakterielle Wirkung kann mit dafür geeigneten in den oberflächennahen Bereich eingebetteten Metallpartikeln, z.B. Silberpartikeln erreicht werden.
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Es können auch ohne Hilfsmittel nicht erkennbare Sicherheitsmerkmale in Oberflächen von Bauteilen ausgebildet werden.
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Für die Herstellung von optisch transparenten Bauteilen können bevorzugt Nanopartikel mit Durchmessern kleiner 100 nm, besonders bevorzugt kleiner 50 nm eingesetzt und in Schichtdicken kleiner als 0,001 mm, bevorzugt kleiner 0,0005 mm in einen oberflächennahen Bereich eingebettet werden. Als transparente Polymere kommen dazu insbesondere PMMA, PET, PC, PS, Polymere aus der Gruppe der Polyester, Polyolefine, Polyurethane, Polyimide, Polyamide, Polyacrylate und PMA sowie Copolymere oder Kombinationen davon in Frage. Für Anwendungen, für die optisch transparente Oberflächen/ Bauteile benötigt werden, die gleichzeitig undurchlässig für UV-Strahlung sein sollen, können Nanopartikeln aus Zinkoxid oder Titandioxid eingesetzt werden. Dadurch kann sowohl das Polymer selbst, als auch Objekte hinter dem Polymer-Bauteil vor UV-Strahlung geschützt werden. IR-absorbierende Partikel für den Einsatz in erfindungsgemäßen Bauteilen können aus dotiertem Zinndioxid, Zinkoxid oder Indiumoxid gebildet werden und z.B. für die gezielte Erwärmung der Bauteiloberfläche durch IR-Strahlung eingesetzt werden.
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Poröse Siliziumdioxidpartikel, insbesondere nanoskalige Hohlkugeln aus SiO2, oder Magnesiumfluoridpartikel können beispielsweise eingesetzt werden, um den optischen Brechungsindex der Bauteiloberfläche zu verringern. So kann gezielt die Reflexion verringert und der Transmissionsgrad der Bauteile erhöht werden. Durch Partikel aus z.B. Zinksulfid, Zinkoxid, Titandioxid, Bleisulfid kann der optische Brechungsindex der Oberfläche und damit die Strahlungsreflexion gezielt erhöht werden.
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Mit lumineszierenden Nanopartikeln (z.B. Seltenerd-dotierte Stoffe wie Europium-dotiertes Ytriumvanadat oder dotierte Halbleiter, wie Mangan-dotiertes Zinksulfid) können optisch transparente Bauteile generiert werden, die unter UV-Bestrahlung sichtbares Licht emittieren. So können beispielsweise Sicherheitsmerkmale zum Produktschutz integriert werden.
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Durch hydrophile Partikel, wie z.B. Siliziumdioxid oder Titandioxid kann die Oberflächenenergie der Polymerbauteile gezielt verringert werden. Dadurch kann beispielsweise die Bedruckbarkeit oder Verklebbarkeit der Bauteile verbessert werden. Hydrophobe Partikel (z.B. auf der Basis von Siliziumdioxid mit Funktionalisierung durch Perfluorosilanen) kann die Oberflächenenergie ebenso drastisch erhöht werden, um z.B. eine Staub- und Wasserabweisende Oberfläche zu erzeugen. Mit Partikeln auf Basis von z.B. Titandioxid oder Hydroxyapatit kann zudem die Biokompatibilität der Bauteiloberfläche erhöht werden.
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Metall- oder Metallsalz-Partikel basierend auf Ag, Cu oder Zink können für antimikrobielle Bauteiloberflächen eingesetzt werden.
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Für die direkte Abscheidung dieser partikulären Materialien kann z.B. die Flammensprühpyrolyse (FSP) verwendet werden, wie durch Pratsinis (Journal of Material Chemistry, 2007, 17, 4743-4756) beschrieben. Dabei wird ein brennbares Lösungsmittel/-gemisch (z.B. bestehend aus Alkoholen, Acetonitril, Essigsäure,...), in dem eine Verbindung des abzuscheidenden Stoffes (z.B. Metallsalze wie Acetate, Ethylhexanoate, Nitrate,...) gelöst oder suspendiert/dispergiert ist, durch eine FSP-Düse befördert und mit zudosiertem Sauerstoff zu Tropfen zerstäubt und in eine Flamme gesprüht. In der Flamme verbrennt das Lösungsmittel, sodass sich das gelöste bzw. suspendierte/dispergierte Material zersetzt und zu Partikeln aggregiert, die sich oberhalb der Düse auf thermisch beständigen Substraten abscheiden. Von diesen Substraten kann die Partikelintegration in das Polymer in beschriebener Weise durchgeführt werden. Neben Metalloxidpartikeln können auch Metallpartikel durch Verwendung von Edelmetallverbindungen so erhalten werden. Auch können Partikelsuspensionen/-dispersionen und Gemische aus suspendierten/dispergierten Partikeln und gelösten Stoffen gleichzeitig zur Erzeugung von Komposit-/Hybridmaterialien verwendet werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
- 1 ein Diagramm mit Transmissionsspektren an Bauteilen, in deren oberflächennahen Bereichen unterschiedliche Anteile an ITO-Partikeln integriert sind
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Beispiel 1
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Für die Herstellung optisch transparenter Bauteile mit absorbierender Wirkung für elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des Infrarotlichts kann wie folgt vorgegangen werden:
- Es wird eine Suspension mit Partikeln aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Isopropanol hergestellt. In der Suspension sollen 30 Masse-% Partikel, die eine maximale mittlere Partikelgröße von 100 nm aufweisen, enthalten sein.
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Die so erhaltene Suspension wird mit einer Ultraschalldüse bei einer Frequenz von 120 kHz bei einem Volumenstrom von ~0,5 ml/min auf eine Oberfläche eines Formwerkzeugteiles eines Spritzgusswerkzeuges auf einer Fläche 100 mm x 150 mm aufgesprüht und anschließend getrocknet, so dass lediglich die ITO-Partikel an der Innenwand der vorab beschichteten Oberfläche des Formwerkzeugteiles anhaften und das Isopropanol verdampft worden ist. Dazu kann das Formwerkzeugteil oder das gesamte Spritzgusswerkzeug beheizt werden.
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In das geschlossene Spritzgusswerkzeug wird Polyethylen (PE) mit beim Kunststoffspritzgießen üblichen Verfahrensparametern in das Formwerkzeug eingebracht, bis dieses vollständig mit dem Polyethylen ausgefüllt ist.
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Da die ITO-Partikel keine vollständig geschlossene Schicht auf der entsprechend beschichteten Oberfläche des Formwerkzeugteiles bilden, kann das Polyethylen in Zwischenräume zwischen den Partikeln eindringen. Dadurch kann zusätzlich zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Partikeln und dem Polyethylen, als Bauteilwerkstoff, eine formschlüssige Verbindung erreicht und ITO-Partikel können in die Polymermatrix aus Polyethylen eingebettet werden.
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Mit dem in 1 gezeigten Transmissionsspektren an Bauteilen, in deren oberflächennahen Bereichen unterschiedliche Anteile an ITO-Partikeln integriert sind, wird deutlich, wie sich die Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen oberhalb 1000 nm beeinflussen lässt und die Transmission bei Wellenlängen kleiner 1000 nm deutlich weniger beeinflusst bleibt und lediglich ein kleiner Anteil dieser Strahlung absorbiert bzw. auch reflektiert wird. Der obere dargestellte Verlauf steht für ein Bauteil, das allein aus Polyethylen ohne Partikel hergestellt worden ist.
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Die unterschiedlichen Massenanteile an Partikeln je Fläche können durch unterschiedliche Drücke und/oder Temperaturen mit denen Polymer in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt wird und/oder durch die Dicke und/oder die Anzahl der auf eine Oberfläche des Formwerkzeugteiles applizierten Partikel beeinflusst werden. So kann der Partikelanteil bei höheren Drücken und Temperaturen und größerer Schichtdicke erhöht werden.
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Durch die im oberflächennahen Bereich eingebetteten ITO-Partikel kann das Polymer, das eigentlich dielektrisch ist, in diesem Oberflächenbereich des Bauteils elektrisch leitfähig sein und einen elektrischen Flächenwiderstand von 3,7 · 103 Ohm, bei einer Partikelbeladung von 80 g/m2 aufweisen.
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Beispiel 2
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Für die Herstellung von Bauteilen mit antibakterieller Wirkung werden Silbernanodrähte, als eine mögliche Form von bei der Erfindung einsetzbaren Partikein, mit einem mittleren Durchmesser von 60 nm und einem Anteil von 0,5 Masse-% in Isopropanol zu einer Suspension verarbeitet. Die Suspension wird mit einem Ultraschallsprühkopf bei einer Frequenz von 120 kHz und einem Volumenstrom von 0,5 ml/min auf eine 100 mm x 150 mm große Oberfläche eines Spritzgussformzeuges aufgesprüht.
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Nach einer Erwärmung wurde das Isopropanol verdampft und es wurde anschließend in das nun geschlossene Spritzgusswerkzeug Polyethylen unter Einhaltung von beim Kunststoffspritzgießen üblichen Parametern eingespritzt. Dabei dringt das plastisch verformbare Polyethylen, als Bauteilwerkstoff in Poren/Zwischenräume zwischen den Silbernanodrähten ein, so dass nach Abkühlung und Aushärtung des Polyethylens die Silbernanodrähte im oberflächennahen Bereich des geformten fertigen Bauteils nach dem Entformen eingebettet sind.
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Beispiel 3
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Für die Herstellung von Zinkoxidpartikelschichten kann eine 0,5 M Zinkacrylatlösung (2 ml/min) in einem Methanol:Essigsäure-Gemisch (94:6 Vol.-%) verwendet werden, die mit Sauerstoff (3,85 slm) in eine TETHIS Npn Düse gesprüht wird. In der 50 mm langen Flamme bilden sich ZnO-Partikel, die 200 mm oberhalb der Düse bei 250 °C auf Glas- oder Stahlsubstraten (ca. 75 x 25 x 1 mm3) abgeschieden werden können. Nach zehnminütiger Abscheidung wird eine ca. 200 nm dicke Schicht erhalten, die durch das beschriebene Verfahren in Polymer integriert werden kann.
