Ziel der Entwicklung

Durch die Verwendung von atmosphärischen Plasmen, genauer neuartiger DCSBD (diffuse surface barrier discharge)-Quellen, sowie einem entsprechenden Misch- und Umwälzaufbau, sollte eine effiziente Möglichkeit entwickelt und bereitgestellt werden, organische und / oder anorganische Mikro- und / oder Nanopartikel zu aktivieren und zu beschichten. Darüber hinaus sollte im Fokus dieses FuE-Vorhabens die Steigerung der Effizienz von Pulverbehandlungen im Vergleich zu anderen Plasmaverfahren (überwiegend Niederdruckanlagen, in eigenen Arbeiten Atmosphärendruckanlagen) stehen.
Ein übergeordnetes Ziel war es, durch die Plasmabehandlung die Dispergierbarkeit der Pulver in Flüssigkeiten ohne den zusätzlichen Einsatz von Tensiden oder Dispergierhilfsstoffen zu ermöglichen. Ferner sollte der Einsatz solcher Pulver für die Herstellung von chemisch Nickel-Dispersionsschichten geprüft werden. Die REACh-Verordnung (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) der Europäischen Union regelt die Verwendung von Chemikalien und klassifiziert viele Tenside als schädlich für Mensch und Umwelt. Fluorhaltige Tenside wurden bisher zum Beispiel als Dispergiermittel in stromlosen Nickelelektrolyten verwendet, ihre Verwendung unterliegt jedoch strengen Einschränkungen und wird in Zukunft teilweise verboten sein. Vor diesem Hintergrund ist ein wichtiger Schritt, auf das Einbringen von Dispergiermitteln in den Elektrolyten zu verzichten und die Dispergierbarkeit der Partikel durch geeignete Oberflächenbehandlungen zu verbessern. Dies hätte nicht nur den Vorteil eines umweltfreundlicheren Prozesses, sondern auch den Nebeneffekt, Prozesse im Elektrolyten so wenig wie möglich zu beeinflussen. Ziel dieser Untersuchungen ist es, hydrophobe Partikel einem Atmosphärendruckplasma auszusetzen, um auf diese Weise strukturell-chemische Modifikationen an der Oberfläche zu erzeugen. So ist bekannt, dass die Bildung von beispielsweise sauerstoffhaltigen Gruppen zu einer Erhöhung der Oberflächenenergie und damit zu einer verbesserten Benetzung der Oberfläche mit polaren Flüssigkeiten (wie Wasser) führen kann. Bei der anschließenden Dispergierung des Pulvers im wässrigen Elektrolyten sollen diese Modifikationen die Benetzbarkeit und damit die Dispergierbarkeit der Partikel verbessern. Vor diesem Hintergrund werden die Auswirkungen der Plasmabehandlung auf verschiedene Trockenschmierstoffe untersucht und die Partikel in Chemisch Nickelschichten eingebettet.

Vorteile und Lösungen

Ziel der hier vorgestellten Arbeiten war die Modifizierung der Pulvermaterialien PEEK, PI und hBN durch ein Atmosphärendruckplasma, um die Benetzbarkeit der Partikel mit Wasser zu steigern. Durch die verbesserte Benetzbarkeit sollte eine bessere Dispergierbarkeit der Partikel in wässrigen Nickelelektrolyten erreicht werden, um in der Folge den Einbau von Partikeln in Chemisch Nickeldispersionsschichten zu ermöglichen. Die Dispergierbarkeit von behandelten und unbehandelten Pulvern wurde durch visuelle Tests abgeschätzt und chemische Änderungen auf den Oberflächlichen mittels XPS nachgewiesen. Die Plasmabehandlung führte zu einer Anlagerung sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen und zu einer verbesserten Dispergierbarkeit in Wasser. Aus der Tatsache, dass diese Art von Materialien mit dem Plasmasystem behandelt werden kann, ergeben sich interessante neue Forschungsansätze. Darüber hinaus sind keramische Trockenschmierstoffe für Ni-Beschichtungen besonders interessant, da sie bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden können. Anwendungsbeispiele sind die Beschichtung von Kupplungsteilen, Werkzeugen und Motorenteilen. Vorteile der Plasmamodifikation gegenüber der bisher verwendeten nasschemischen Modifikation nicht dispergierbarer Substanzen sind der Verzicht auf bedenkliche Tenside. Darüber hinaus bietet die Aktivierung durch Atmosphärendruckplasma den Vorteil einer universellen Methode, die auf verschiedene Substanzklassen angewendet werden kann. Alle plasmamodifizierten Pulvermaterialien konnten in die Ni-Schichten eingebaut werden, während bei der Verwendung nicht-plasmamodifizierter Pulvermaterialien nur das PI bedingt einbettbar war. Unbehandeltes PEEK und hBN waren im Ni-Elektrolyten nur sehr schlecht dispergierbar und folglich auch nicht in den Ni-Beschichtungen enthalten. Durch das Einbringen der plasmabehandelten Partikel in die Ni-Schichten konnten mechanische und tribologische Eigenschaften der Schichten verändert werden. Dispersionssschichten mit eingebettetem hBN zeigten dabei den geringsten Verschleiß. Die hier durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass eine vorangestellte, atmosphärische Plasmamodifikation der Pulver den Einbau schwer dispergierbarer Partikel in Chemisch Nickelschichten deutlich verbessert, wenn nicht gar erst ermöglicht. Als besonders positiv ist in diesem Zusammenhang der Verzicht auf Tenside hervorzuheben.

Zielgruppe und Zielmarkt

Durch die erreichten Ziele gehören zu den Zielgruppen und –märkten Verarbeiter von Pulver-Materialien (Mikro- als auch Nanopulver) aus zahlreichen Wirtschaftszweigen wie Pulversintern, Fügetechnik oder spezieller Beschichtungstechnologien (Korrosionsschutz, Schmelzkleber, Unterbodenschutz, Dispersionsbeschichtungen). Aber auch für Anlagenbauer und Komponentenlieferanten sowie Halbzeugproduzenten (zum Beispiel Pulverhersteller oder Kunststoffhersteller) wäre das Vorhaben von Interesse.
Weitere potenzielle Zielgruppen und -märkte können durch die neuartige Anlagentechnik noch erschlossen werden, dazu muss eine repräsentative Marktanalyse noch durchgeführt werden.
Die prinzipielle Machbarkeit diverser Oberflächenfunktionalisierungen können auf Grundlage dieses Projektes realisiert werden. Die Technologie kann maßgeschneidert auf die Anforderungen der Branchen adaptiert werden.
Der Ergebnis- und Technologietransfer erfolgt weitgehend über Publikationen, Vorträge, Tagungsbandbeiträge sowie Ausstellungen auf Messen und daraus ergebend über direkten Kundenkontakt.
Intern wird die Technologie wie folgt genutzt: Nutzung der neuartigen Anlagentechnik an verschiedenen pulverförmigen Stoffen, hervorgehend aus Anfragen aus der Industrie / Nutzung der neuartigen Anlagentechnik für Projekte mit anderen Fragestellungen und Folgeprojekte.