Superabweisende Oberflächen

Die Entwicklung eines superhydrophoben Werkstoffs

  • Abb. 1: Superabweisende Oberflächen besitzen Kontaktwinkel größer als 150° und Abrollwinkel kleiner als 10°. Sie lassen sich realisieren, indem ein geeignetes Material (chemische Struktur) mit einer geeigneten Rauigkeit (physikalische Struktur) versehen wird, so dass stets ein Luftfilm zwischen aufgebrachter Flüssigkeit und der Oberfläche gehalten wird. Dieses Prinzip nutzt auch das bekannte Lotusblatt.Abb. 1: Superabweisende Oberflächen besitzen Kontaktwinkel größer als 150° und Abrollwinkel kleiner als 10°. Sie lassen sich realisieren, indem ein geeignetes Material (chemische Struktur) mit einer geeigneten Rauigkeit (physikalische Struktur) versehen wird, so dass stets ein Luftfilm zwischen aufgebrachter Flüssigkeit und der Oberfläche gehalten wird. Dieses Prinzip nutzt auch das bekannte Lotusblatt.
  • Abb. 1: Superabweisende Oberflächen besitzen Kontaktwinkel größer als 150° und Abrollwinkel kleiner als 10°. Sie lassen sich realisieren, indem ein geeignetes Material (chemische Struktur) mit einer geeigneten Rauigkeit (physikalische Struktur) versehen wird, so dass stets ein Luftfilm zwischen aufgebrachter Flüssigkeit und der Oberfläche gehalten wird. Dieses Prinzip nutzt auch das bekannte Lotusblatt.
  • Abb. 2: Materialien, die nur oberflächlich strukturiert sind, verlieren ihren superhydrophoben Effekt bei Abrieb. Der superabweisende Effekt von Fluoropor hält auch drastischem Abrieb stand, da seine superhydrophoben Eigenschaften auf der Strukturierung des gesamten Materialvolumens beruht.
  • Abb. 3: Der nano-/mikro-poröse Fluorpolymerschaum besitzt superhydrophobe Eigenschaften, ist transparent und kann in nahezu beliebiger Dicke hergestellt werden. a) Elektronenmikroskop-Aufnahme der Materialstruktur, b) 3,5 mm hoher Block des Fluorpolymerschaums, c) 820 µm dicke Platte des Fluorpolymerschaums, d) Dünnschicht des Fluorpolymerschaums (105 µm) auf Glas, e) Transparenz der Platte aus c). Bilder mit Erlaubnis der Nature Publishing Group reproduziert/adaptiert aus Helmer et al. [10].
  • Abb. 4: Fluorpolymerschaum-Beschichtungen mit und ohne Wassertropfen auf a) Goldschicht (Chrom-Haftschicht auf Glas, partiell geätzt), b) Kupfer (auf Epoxy-Leiterplatte, partiell geätzt), c) Kupferblech, d) Epoxy-Leiterplatte (mit Kupferschicht, partiell geätzt), e) Mikrofasertuch.  f) Zeigt die Salvinia-Schicht (Luftfilm) des Kupferbleches unter Wasser. Alle Größenbalken: 5 mm [6]. Bilder mit Erlaubnis der  Nature Publishing Group reproduziert aus Helmer et al. [10].

Superabweisende Oberflächen und Beschichtungen versprechen breite Anwendungsmöglichkeiten, von abweisender Kleidung über Glasbeschichtungen bis hin zu Anwendungen in der Automobilindustrie. Für den Alltag sind insbesondere wasserabweisende Schichten von besonderem Interesse.

Superabweisende Oberflächen werden im Wesentlichen durch zwei Eigenschaften charakterisiert. Erstens muss der Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit größer als 150° sein. Zweitens muss die Flüssigkeit bei Neigung der Oberfläche um maximal 10° rückstandsfrei ablaufen [1,2]. Derartige Eigenschaften sind auf glatten Feststoffoberflächen nicht zu erreichen; selbst auf einer Teflon-Beschichtung, z. B. in der Bratpfanne, bildet Wasser keine sphärischen Tröpfchen und läuft nicht rückstandsfrei ab. Um superabweisende Eigenschaften zu erreichen, muss die Oberfläche zusätzlich zu ihren chemischen Eigenschaften über eine Strukturierung „aufgeraut“ werden. Durch die Kombination von geeignetem Material (chemische Struktur) und geeigneter Rauigkeit (physikalische Struktur) kann erreicht werden, dass die Flüssigkeitstropfen nur zu einem geringen Anteil auf dem Material aufliegen und zwischen Oberfläche und Flüssigkeit ein Luftfilm gehalten wird. Diese sogenannte „Salvinia-Schicht“ (benannt nach den gleichnamigen Schwimmfarnen) ist als silbrig glänzende Schicht unter der Flüssigkeit erkennbar. In der Natur ist dieser Effekt z. B. auf dem Lotusblatt zu beobachten, dessen Oberfläche aus mikroskopisch kleinen, mit Wachs beschichteten (chemische Struktur) Papillen (physikalische Struktur) besteht (Abb. 1).

Herstellung

Es gibt verschiedene Strategien, derartige Oberflächenstrukturen zu erreichen. Häufig werden Nanopartikel auf Oberflächen aufgebracht und anschließend mit einer geeigneten Beschichtung versehen [3-5]. Über Ätzprozesse oder Mikrolithographie können auch hochkomplexe Strukturen auf die Oberfläche gebracht werden, die ebenfalls durch eine geeignete Beschichtung superabweisend werden [6-9]. Problematisch bei diesen Herangehensweisen ist, dass die entstehenden Beschichtungen hochempfindlich sind. Der Grund dafür liegt in ihren geringen Schichtdicken von einigen Nanometern bis Mikrometern, die sie besonders anfällig für mechanische Belastung machen: Abrieb führt zum vollständigen Verlust der abweisenden Eigenschaften (Abb.

2). Volumenporöse Materialien sind hier von großem Vorteil, da durch ihre durchgehende Strukturierung der superhydrophobe Effekt auch bei starkem Abrieb erhalten bleibt.

Durch die Polymerisation eines hochfluorierten Monomers in einem damit nicht mischbaren Lösemittel unter Zuhilfenahme eines Emulgators konnte ein transparenter, nano- bzw. mikro-poröser Fluorpolymerschaum mit superhydrophoben Eigenschaften hergestellt werden (Abb. 3). Dieses Material, von seinen Entwicklern und den Autoren der hier vorgestellten Arbeiten „Fluoropor“ genannt, weist für Wasser einen statischen Kontaktwinkel von 163.7±6.8° und einen Abrollwinkel von 6.6±1.7° auf. Es erreicht bei Schichtdicken unter 200 µm eine optische Transparenz von 60-80% bei 400 nm. Nach Abrasion mit Schleifpapier bleibt der superhydrophobe Effekt des Materials vollständig erhalten. Der Verlust der Transparenz durch die Kratzspuren des Schleifpapiers lässt sich durch leichtes Polieren mit einem Mikrofasertuch rückgängig machen. Fluoropor ist als Beschichtung vielseitig einsetzbar (Abb. 4). Durch seine Transparenz eignet sich auch als Beschichtung für optisch ansprechende Werkstoffe (Gold, Kupfer) sowie transparente Werkstoffe wie beispielsweise Glas.

Fazit

Der hier vorgestellte Fluorpolymerschaum stellt einen neuen Ansatz dar, für die Praxis taugliche, superhydrophobe Beschichtungen auf einer weiten Auswahl an Materialien herzustellen, die selbst durch starken Abrieb ihren superabweisenden Effekt nicht verlieren. Damit ist das Material für Anwendungen für abweisende Kleidung ebenso geeignet wie für die Beschichtungen von Fensterschreiben oder Oberflächen im Außenbereich.

Autoren
Dorothea Helmer1 und Bastian E. Rapp1

Zugehörigkeit
1NeptunLab, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) IMT, Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland

Kontakt  
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Bastian E. Rapp
NeptunLab
Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) IMT
Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland
bastian.rapp@kit.edu

Referenzen:

[1] H. J. ButtaIlia, V. Roisman, M. Brinkmann, P. Papadopoulos, D. Vollmer, C. Semprebon, Characterization of super liquid-repellent surfaces, Curr. Opin. Colloid. In. 2014, 19, 343-354, DOI: 10.1016/j.cocis.2014.04.009.

[2] J. Drelich, E. Chibowski, D. D. Meng, K. Terpilowski, Hydrophilic and superhydrophilic surfaces and materials, Soft Matter 2011, 7, 9804-9828, DOI: 10.1039/c1sm05849e.

[3] X. Deng, L. Mammen, H. J. Butt, D. Vollmer, Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating, Science 2012, 335, 67-70, DOI: 10.1126/science.1207115.

[4] X. Zhang, H. Kono, Z. Liu, S. Nishimoto, D. A. Tryk, T. Murakami, H. Sakai, M. Abeb, A. Fujishima, A transparent and photo-patternable superhydrophobic film, Chem. Commun. 2007, 4949-4951, DOI: 10.1039/b713432k.

[5] Y. Gao, I. Gereige, A. El Labban, D. Cha, T. T. Isimjan, P. M. Beaujuge, Highly Transparent and UV-Resistant Superhydrophobic SiO2-Coated ZnO Nanorod Arrays, Acs. Appl. Mater. Inter. 2014, 6, 2219-2223, DOI: 10.1021/am405513k.

[6] D. Helmer, N. Keller, F. Kotz, F. Stolz, C. Greiner, T. M. Nargang, K. Sachsenheimer, B. E. Rapp, Transparent, abrasion-insensitive superhydrophobic coatings for real-world applications, Sci. Rep. Uk. 2017, 7, DOI: 10.1038/S41598-017-15287-8.

Nutzung des Lotuseffekts in der Materialwissenschaft
 

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NeptunLab
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Deutschland

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