forschungsagenda oberfläche - fao.dfo.infofao.dfo.info/ergebnisse/pdf-dateien/vortrag frau prof....
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Analyse des Innovations- und Nachhaltigkeitspotentials und Erarbeitung von
Leitlinien der Oberflächenforschung
aus der Sicht des Potenzialfeldes
„Innovative Beschichtungsstoffe“
Ein BMBF gefördertes DFO-Zukunftsprojekt
Forschungsagenda Oberfläche
Brigitte Voit, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
Forschungsagenda Oberfläche
Vision:
neue Potentiale
erschließen
Akzeptanz stärken
High-Tech-Image
Oberflächen-technik in den
Blickpunkt
Schlagkraft erhöhen
Verantwortung für Umwelt
verdeutlichen
Oberfläche in
Bewegung Motivation für Innovation
Forschungsagenda Oberfläche
Ziel des Projektes:
• Visionen und Zukunftsszenarien „Oberfläche“ entwickeln• Außerhalb des alltäglichen Technologiealltags zukünftige Pfade der
Oberflächentechnologie aufzeigen• Zukünftigen Bedarf aus Sicht der verschiedenen "Nutzer" ermitteln• Nachhaltigkeit von Forschung und Entwicklung im Oberflächenbereich
erzielen, d.h. Wirtschaftlichkeit und Auswirkungen auf Natur und Gesellschaft berücksichtigen
• Positiv: Impulse für die vorwettbewerbliche Forschung im engen Dialog mit der Wirtschaft
• hohe Interdisziplinarität• branchenübergreifender Dialog• gesamtheitliche Betrachtung: Beschichtungsmaterial - Substrate - Ver(be)arbeitung (Prozesse) -Simulation
Potenzialfeld „innovative Beschichtungsstoffe“Potenzialfeldpartner
InstituteDr. K. Albinski, Dr. U. Mock, IFAM BremenProf. H. Bauch, Dr. B. Devantier, IHD DresdenDr. M. Baumgärtner, FEMDr. B. Bergk, Dr. Ph. Öchsner, FPL StuttgartProf. T. Brock, FH NiederrheinDr.-Ing O. Deutscher, BFI DüsseldorfDr. R. Fellenberg VDI TechnologiezentrumDr. W. Fürbeth DECHEMA e.V.Volker Fux, IWS, Dresden Martin Metzner, IPADr. B. Morgenstern FILK FreibergProf. Dr. W. Paatsch, Prof. G. Reiners, BAM Dr. A. Patyk, Dr. A. Schorb, ifeu Heidelberg A. Pflug, Dr. B. Szyszka, IST Braunschweig Dr. N. Pietschmann, ILF MagdeburgVolker Rogoll, DGO Prof. E. Schultheiss, FEP Dresden Dr. U. Schulz, IOF, Jena
FirmenDr. R. Altheimer, Hartchrom AGF. Auer-Kanellopoulos, Hansa MetallwerkeF. Demmler, OZF Frankenberg Dr. M. Franck, Arcor IIM. Gray, MTV Metallveredelung GmbHDr. G. Hauptmann, Dr. F. Schaum,Heidelberger Druckmaschinen AG H.-J. Kagerer, JKL Kunststofflackierung GmbHW. Kleinhans, Grohe Water TechnologyDr. W. Kreis, BASF Coatings AG Dr. H. Küster ALANOD GmbH Dr. H. Lander, Robert Bosch GmbHG. Laushann, International Platine Technologies Dr. T. Lüthge, Dr. U. Wienhold , Degussa CreavisProf. A. Möbius, C. Werner, Enthone GmbH Dr. J. Müller, Advanced EnergyM. Patzelt, METALLVEREDLUNG GmbH & Co. KGM. Robisch Fusion UV Systems GmbHU. Schneider, EKO-Stahl, Arcelor Gruppe Dr. H. Walter, Volkswagen AG Dr. M Wulff, Dr. U. WilkenhönerDuPont Perf. CoatingsDipl.-Ing. R. Winkler, Creative Vakuumbeschichtung GmbH
Forschungsagenda Oberfläche
Potenzialfelder
Koordination und Projektsteuerung
Potenzialfeld
Simulation
Potenzialfeld
Werkstoffe/ Substrate
Potenzialfeld
Prozesse, Verfahren
und Anlagen
Potenzialfeld
Innovative Beschich-
tungsstoffe
Nachhaltigkeit
Forschungsagenda Oberfläche
Strukturierung
1. Definition von Funktionen (Anforderungen)
4.Umwelt
3.Design/Aussehen/Empfinden
2.funktionsorientiert
1.prozess-/applikationsorientiert
BasisB
4.Umwelt
3.Design/Empfinden
2.physikalisch/elektronisch
1.chemisch/reaktiv
ZusatzZ
FunktionenGliederung
Liste mit 47 Funktionen
Zuordnung zu den Gruppen erst bei Auswertung
Für die Auswertung:gemeinsame Liste mit dem Potenzialfeld „Substrate“(39 Funktionen)
Strukturierung
2. Definition von Branchen (Märkten)
Bau aussenBau innenIndustrieAutomobil/ FlugzeugDruckindustrieElektronik/ Informations-/KommunikationstechnologieEnergie (Solar)Optische Industrie
Strukturierung
3. Definition von (neuen) Technologien
•Metalle/ Metallegierungen
•anorganisch/ nichtmetallisch
•organisch
•kombiniert
•Nanofüllstoffe und –dipergenten•Sol-Gel-Systeme•Nanocomposite, z.B. Kompos. mit Kohlenstoffnanoröhren•FunktionspolymereLacksysteme, z.B. Pulverlacke, Dünnschicht-UV-Lacke•Mehrschicht- und Hybridsyteme, •Kombinationsschichten, z.B. Laminate•Folien•mikro- und nanostrukturierte Materialien und Oberflächen•Effektstoffe/ Funktionsstoffe•oberflächenaktive Stoffe•SAMs und sehr dünne funktionelle Schichten, z.B. funktionelle Alkylphosphonsäuren, gepfropfte Polymere •Neue Legierungen•Halbleiter•Funktionsmaterialien (anorganisch, Metalle, Metalllegierungen, DLC)•piezoelektrische Stoffe, z.B. Keramiken, Kristalle•OLEDs•druckbare Beschichtungsstoffez.B. wässrige oder UV-härtende oder neuartig härtende Druckfarben und -lacke
2. Phase: Sammlung der Informationen
Portfolio-Erstellung über Umfragen (Beispiel)
42´18´
Bed
arf/
Anf
orde
rung
en
niedrig mittel hoch
nied
rig
mitt
elho
ch
Technologischer Erfüllungsgrad
Teilmakt/-branche:_Printmedien / Offset-Druckmaschinen
Legende:Nr Funktion3 Beständigkeit, Korrosionsschutz6 UV-Stabil (Korrosionsschutz)8 Opt. Eigenschaften (z.B. IR-Reflexion)9 Härte/Kratzfestigkeit/Elastizität18 Tribologische Eigenschaften42 Low Cost Anwendungen
Technologien/Materialien (wobei weitere erarbeitet werden müssen):Alle denkbaren Beschichtungsverfahren,Nanostrukturierte Materialien, disperse Feststoffe, PolymereErsteller: Frank SchaumDr. Gerald HauptmannHeidelberger Druckmaschinen AG
technologischer Erfüllungsgrad:niedrig: Vision und Grundlagenforschungmittel: funktioniert im Laborhoch: Übertragung in industrielle Anwendung geglückt, Produkt im Markt
0
3
6
9
2 5 9
3´,6´3,6
8
8´
9 18
42 9´
Informationen:1. bewertete (ausgewählte)
Funktionen2. Bewegung im x-y-
Koordinatensystem (Forschungspotenzial)
3. Bedeutung der Funktion(Größe der Spots)
Prognostizierter Forschungsbedarf
4. ErgebnisseFirmen & Institute
2128
12 13 14 24 22 34 31 15
0
20
40
60
80
100
Prozent
Rang 1 - 10
Prozent 100 71 65 63 62 57 56 56 49 48
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
12 Tribologische Eigenschaften13 Kratzfestigkeit14 Härte, Elastizität15 optische Eigenschaften21 selbstreinigende Eigenschaften22 Verarbeitbarkeit / Applizierbarkeit24 Umweltverträglichkeit28 Sensorik31 chemische Beständigkeit34 Langzeitbeständigkeit
Prognostizierter Forschungsbedarf
Institute
21 2413 22
14 35 34 29 10 18
0
20
40
60
80
100
Prozent
Rang 1 - 10
Prozent 100 83 71 71 64 62 62 62 55 54
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10 Haftung/Benetzungseigenschaften13 Kratzfestigkeit14 Härte/Elastizität18 thermische Eigenschaften21 selbstreinigende Eigenschaften22 Verarbeitbarkeit/Applizierbarkeit24 Umweltverträglichkeit29 selbstheilende Eigenschaften34 Langzeitbeständigkeit35 dekorativ/optischer Eindruck
Prognostizierter Forschungsbedarf
Firmen
0
20
40
60
80
100
Prozent
Rang 1 - 10Prozent 100 86 75 57 50 45 44 42 38 33
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2128
12
1514
13 34 3138
22
12 Tribologische Eigenschaften13 Kratzfestigkeit14 Härte, Elastizität15 optische Eigenschaften21 selbstreinigende Eigenschaften22 Verarbeitbarkeit / Applizierbarkeit28 Sensorik31 chemische Beständigkeit34 Langzeitbeständigkeit38 low-cost
Prognostizierter Forschungsbedarf
Branchen
0102030405060708090
100
Prozent
Bau (a) Bau (i) Druck. Elek./.. Energ. Industr. KFZ/... opt.Ind.
Rang 1 - 3 der Branchen
10 Haftung / Benetzungseigenschaften12 Tribologische Eigenschaften14 Härte, Elastizität15 optische Eigenschaften16 elektrische Eigenschaften21 selbstreinigende Eigenschaften
22 Verarbeitbarkeit / Applizierbarkeit24 Umweltverträglichkeit27 Aktorik28 Sensorik31 chemische Beständigkeit35 dekorativ, optischer Eindruck
38 low cost
Ergebnisse/ allgemeine Schlussfolgerungen
Zusammenfassung (FuE Bedarf)• Selbstreinigende Eigenschaften (easy-to-clean,anti-soil, anti-stain) werden sowohl
in der Mehrzahl der Branchen als auch in der Gesamtübersicht als wichtiges Entwicklungsziel genannt; ebenso:
• Schichten mit langer Lebensdauer, definierten tribologischen und mechanischen Eigenschaften
• aktive Oberflächen, die auf äußere Stimuli messen und/ oder darauf reagieren können (Sensorik/Aktorik, Schaltbarkeit u.ä.)
• Umweltschutzgerechte Beschichtungsmaterialien und –verfahren
• Aber: allgemein sehr unterschiedliche Wichtung/Bewertung zwischen Firmen und Instituten!
• Firmen bevorzugen neue "Funktionen"! Stärker zukunftsorientiert??
• Oder: an den vielen Problemen wird schon auch zusammen mit Instituten gearbeitet? Daher nicht mehr als "Forschungsbedarf" definiert?
• Firmen betrachten z.B. Lebensdauer, Verarbeitbarkeit und umweltgerechte Materialein/Verfahren als "Grundbedarf". Die muss natürlich grundsätzlich gegeben sein, auch bei Materialien mit neuen Funktionen!
Ergebnisse/ allgemeine Schlussfolgerungen
Trends für innovative Beschichtungsstoffe:
• Dünne Schichten• Multischichten• Multifunktionalität (z.B. tribologische Eigenschaften gekoppelt mit Sensorik/ Aktorikoder easy-to clean gekoppelt mit Kratzfestigkeit)
• Neue Materialien und Materialkombinationen: Nanoteilchen, Nanokomposite• Gradientenschichten (Werkstoffkombination oder Bestandteile, Eigenschaften)
Bisherige Grenzen zwischen Herstellung und Verarbeitung metallischer, oxidischer und polymerer Schichten beginnen zu verschwimmen!
Trend wird sich in den nächsten Jahren verstärken.
Beispiele: easy to clean supertough coatingsbased on nanocomposites
www.ml.afrl.af.mil/.../asc_03_2607_fig1_2.jpg C
Ergebnisse/ allgemeine Schlussfolgerungen
Zentrale Themen der Beschichtungstechnologie in den nächsten Jahren:
• Hauptherausforderung: Beherrschung der Komplexität der Beschichtung und des Beschichtungsprozesses
• Notwendigkeit der Entwicklung komplexer Eigenschaftsprofile von Beschichtungen und von „Tools“ zur deren Analyse
• Aufgabe von F&E: Einbringen von „Wirkstoffen“ in hochkomplexe Systeme bzw. Vorgänge und Nachweis von deren Wirksamkeit
• Notwendigkeit der Überwindung von Grenzen (z.B. zwischen Dünnschichttechnologie und Lackierung) um zu Innovationen und neuen Lösungen zu kommen
Nano/Mikro- strukturierte Oberflächen
www.scieng.flinders.edu.au/.../rp_02_01.jpg
notwendig:
Anpassen von
• Substrat• Struktuierung• Beschichtung• Prozess
Komplexität - Multifunktionalität
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Nanoarchitectonics Research Center, Ibaraki, Japan
www.aist.go.jp/.../narc/narc_01.jpg
Multifunctional macromolecules:Dendritic polymers – tree-like branching
CO
OH
O
n, hb
OH
CO
On, hb
Tree-like compactstructure
Modelling of hyperbranched polyester35 monomers
Multifunctional macromolecules:Coating properties - fluorinated HBP transfer agent
Small amount (1-3 %) of hb polyesterspeeds up the reaction
C
O
O
n, HBP
C
O
OH
O
O(CH2)10(CF2)9CF3
HBFP
HDGEO O
(CH2 )6 OO CH2CH2
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150Time (s)
Con
vers
ion
%
5% HBFP
3% HBFP
0% HBFP
Transparent, tough coatings
Cooperation with Polytechnico Torino
B. Voit, M. Sangermano, A. Di Gianni, A. Priola, D. Pospiech: Macromol. Mater. Eng. (2005) 290 721
Multifunctional macromolecules:Coating properties - fluorinated HBP transfer agent
Sample
Advancing
contact angle
θ [°](b)
Water
uptake(a)
%
Cross-cut
adhesion
%
HDGEHDGE + 1 wt%HBFHDGE + 3 wt% HBFPHDGE + 5 wt% HBFP
70
108
110
110
7
3
2
2
100
100
100
100
Fluorocomponent-> hydrophobic surface
increased chemical resistanceHb component
-> higher crosslinking density-> higher surface hardness
Sample Tg °C
DSC
Gel
content
%
Hard-
ness
MEK
Resistance
HDGE
HDGE/1 wt% HBFP
HDGE/3 wt% HBFP
HDGE/5 wt% HBFP
-30
-30
-24
-20
95
97
97
98
6H
6H
6H-7H
8H
90
150
260
260
Multifunctionality:Transparent, tough coatings
+increase in hardness and MEK resistancestrong increase in surface hydrophobicity
good adhesion!
B. Voit, M. Sangermano, A. Di Gianni, A. Priola, D. Pospiech: Macromol. Mater. Eng. (2005) 290 721
HB sensor layers: separation of freons
F C
Cl
H
F
R 22 F C C H
F
H
F
F
R 134a
OH
O
C
O
n, hb
P-OH
selective and highly sensitive10 nm
5 nm
0 nm
20
10
020100 µm
ellipsometry
freons
hb polyester smooth, adhesive thin films(below 100 nm)
Multifunctional molecules:
time [min]
R 22R 134a
0 200 400 600 800 1000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
∆(nd
)/nd)
0[1
0-3]
-2 0 2 4 6 8 10 12-0.20.00.20.40.6
0.81.0
concentration [Vol.-%]
R 22R 134a
∆(nd
)/nd)
0[1
0-3]
G. Belge, D. Beyerlein, C. Betsch, K.-J. Eichhorn, G. Gauglitz, K. Grundke, B. Voit: Anal. Bioanal. Chem. 374, 403-411 (2002)
Single DNA stands selectively attached to surfacesMultifunctional linear copolymers:
20 µm
CH2
CH3
CCH2
CH3
CCH2
CH3
CO O OOCH3NH
CH2CH2CH2NHCO O CH2 OCH3
NO2
O2N
OCH2CH2CH2Si(OCH2CH2)3
m n x
attaching areas = deprotected amines
overstretched DNAstrand, brokenin two parts
J. Opitz, IfWW, MBC
λ-DNA, ca. 48000 base pairs, length app. 16 µm, pH = 8.8, app. 10 sec dipping the substrate in theDNA-solution(stretching-receding meniscus-experiment → overstretched DNA)
Laser DNAfilm
Multifunctional linear copolymers: Switching Morphology
Block copolymer D:Mn = 61.400 g/ molPD = 1.2block ratio 1:11
0.0 °
5.0 °
0.0 °
5.0 °
190 °C, 1 h
AFM phase image (1 µm x 1 µm)AFM phase image (1 µm x 1 µm)Film thickness: 14 nmFilm thickness: 21 nm
OH O
OO
n m
OH
n190 °C
Homogeneous Film
ON
OSi
n CO2++
block copolymer formationpolymeranalogous reactions
NMRP macroinitiator
Multifunctional coating: Cell detachment after thermal stimulus
HN
O O
OO O
44
0.013 0.987
T = 37 °Ccells adhere!
D. Schmaljohann, J. Oswald, B. Jørgensen, M. Nitschke, D. Beyerlein, C. Werner
Complete detachment within 20 min → fast responding hydrogel
100
25 30 35 40 4520
40
60
80 P1, PBS solution,
film thickness [nm]
T [°C]
2nd cooling
T = 37 °C
T = 36 °C
T = 35 °C
T = 34 °C cells detach!
T = 34 °C
Danksagung
Herzlichen Dank!!Herzlichen Dank!!
Allen Vertretern der Industrie und der Institute!
Der DFO und Ihren Mitarbeitern
Dem BMBF
IPF: Frau Dr. UhlmannHerrn Dr. Frenzel