DE19731315A1 - Verfahren zur Herstellung speziell strukturierter Oberflächen thermoplastischer Kunststoff-Formkörper und ihre Anwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung speziell strukturierter Oberflächen, insbesondere die Fibrillierung beim Spritzgießen thermoplastischer Kunst­ stoff-Formkörper sowie verschiedene Anwendungsvarianten.

Die Größe und Beschaffenheit der Oberflächen physikalisch und chemisch wirksamer Körper sind in der Technik häufig von besonderer Bedeutung. Dabei kommt es in der Regel darauf an, bei vorgegebener minimaler Baugröße maximale Oberflächen mit optimaler Beschaffenheit zu erreichen. Diese Bestrebungen kommen beispielsweise etwa in der Fil­ ter- sowie in der Katalysatortechnik zur Anwendung.

Die Vergrößerung der Oberfläche beschränkte sich bisher, insbesondere bei thermoplastischen Kunststoffen, auf die nachträgliche Bearbeitung wie etwa Aufrauhen, Prägen, Beschichten, Kaschieren des Formkörpers. Strukturierte Oberflächen lassen sich auch durch entsprechende Bear­ beitung der Formwerkzeuginnenflächen erreichen, wodurch der fertige Formkörper die gewünschte Oberflächenstruktur erhält. Die erreichbare Oberflächenvergrößerung ist bei Anwendung dieser Methoden vergleichsweise bescheiden. Sie liegt etwa im Bereich von 250%.

Ein anderes Verfahren beschreibt die Oberflächenvergrößerung bei thermoplastischen Kunststoffen durch Eindrücken einer Matrize (z. B. Gitter oder Gewebe) in die warme, plastifi­ zierte Oberflächenschicht des Thermoplasten und anschließen­ des Abziehen der Matrize im abgekühlten Zustand.

Hierbei entstehen aus der Masse gezogene, vielfältig ge­ formte und an ihren Enden aufgefaserte Fäden (Fibrillen) und Membranen, die je nach Wahl der Matrizenart gewisse regelmäßige Strukturen aufweisen.

Die erzielbare Oberflächenvergrößerung durch Fibril­ lierung ist bei diesem Verfahren beeindruckend und beträgt bis zu 2000%.

Das Verfahren hat allerdings den Nachteil, daß es empfindlich gegenüber Parameteränderungen reagiert. Insbesondere sind sowohl Druck wie Temperaturgradient zwischen Oberfläche und Unterseite des Formkörpers von Bedeutung. Ebenso geht die Abziehgeschwindigkeit der Ma­ trize von der Kunststoff-Oberfläche in die Ausformung der Oberflächenstruktur ein, so daß eine einigermaßen exakte Reproduzierbarkeit der Oberflächengeometrie und damit konstante Eigenschaften nur in einem sehr aufwendigen und damit kostenintensiven kontinuierlichen Prozeß zu erwarten sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein praktikables Ver­ fahren zur Oberflächenvergrößerung thermoplastischer Formkörper in vergleichbarer Größenordnung zu entwickeln, das homogene und zuverlässig reproduzierbare Strukturen erwarten läßt.

Die Lösung der Aufgabe wird dadurch erreicht, daß die erwünschte Oberflächenstruktur des fertigen Formkörpers bereits durch die formenden Flächen des verwendeten Werk­ zeuges vorgegeben wird, so daß die Herstellung des Form­ körpers und seine Oberflächenstrukturierung in der Regel in einem Arbeitsgang erfolgen.

Dazu wird die Innenfläche beispielsweise einer Spritzguß­ form durch Hochenergie-Mikrobearbeitung mit sehr feinen Sacklöchern in der Verteilung der gewünschten Fibrillierung versehen und die Temperatur beim Spritzgießen je nach Wahl des Thermoplasten so eingestellt, daß die zu strukturieren­ de Oberfläche des Formkörpers im Bereich der Plastifizie­ rungstemperatur verbleibt, während seine Unterseite und/oder weitere, nicht zu strukturierende Flächen mindestens auf die Erstarrungstemperatur gekühlt werden.

Beim anschließenden Entformen werden die durch den in die Sacklöcher eingespritzten Kunststoff entstandenen Fibrillen infolge ihrer Haftung im Sackloch gereckt und bilden die erwartete Oberflächenstruktur auf der bereits weitgehend ausgehärteten Gegenseite des Formkörpers. Die Entformung wird dadurch begünstigt, daß die Haftung des in die Sack­ löcher eingeflossenen Kunststoffes infolge des darüber gebildeten komprimierten Gaspolsters nur relativ schwach ausgebildet ist, jedoch für die Reckung der Fibrillen aus­ reicht.

Bei entsprechender Temperaturführung kann eine gute Sta­ bilisierung der Fibrillen erreicht werden. Mit dem Verfahren der Fibrillenreckung kommt es zu einem hohen Orientierungsgrad der Molekülketten im oberen Bereich der Fibrillen und damit zu einer Verbesserung der Zug­ festigkeit gegenüber nicht orientiertem Kunststoff gleichen Querschnitts. Die Fibrillenspitzen sind integral mit den darunter liegenden, weniger stark gereckten und damit weniger stark orientierten Fibrillensockeln verbunden und bilden eine stabile Einheit.

Mit dem beschriebenen Verfahren läßt sich praktisch jeder gewünschte thermoplastische Formkörper mit strukturierter Oberfläche herstellen.

Eine Variante des Verfahrens bezieht sich auf die Her­ stellung von Hohlkörpern (z. B. Rohren) mit innenliegender Strukturierung. Hierbei ist lediglich ein umgekehrter Temperaturgradient einzustellen, wobei die Außenseite des herzustellenden Formkörpers zu kühlen und seine Innen­ seite zu beheizen ist. Beim Ausformen "schrumpft" z. B. die auf ihrer Außenseite mit Sacklöchern versehene flexible Innenform unter Recken der entstandenen Fibrillen.

Es ist offensichtlich, daß die Oberflächenstruktur wie etwa die Form der Fibrillen problemorientiert ausgebildet werden können. So muß der Fibrillenquerschnitt nicht notwendig rund sein, sondern er kann in Abhängigkeit von den Bearbeitungsmöglichkeiten der Strukturierungsfläche des Formwerkzeuges auch andere, z. B. vieleckige Formen annehmen. Dabei ist die konische Fibrillenform zwar durch das Reckverfahren vorgegeben, dient aber auch ihrer Stabilität.

Erfolgt die Mikrobearbeitung der Strukturierungsfläche des Formwerkzeuges nicht punkt- sondern linienförmig, z. B. CNC-gesteuert, so sind beliebig strukturierte Muster her­ stellbar, die beim Entformen lamellenartig dreidimensional gereckt werden. Mischformen sind ebenfalls möglich.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand einer Abbildung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Die elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines fibrillierten POM-Formkörpers.

Fig. 2 Die zeichnerische Darstellung der Molekülketten­ orientierung nach dem Recken einer Fibrille.

Die in Fig. 1 gezeigte Oberfläche bezieht sich auf ein aus POM im Spritzgußverfahren hergestelltes Zahnwurzel- Implantat. Das Formwerkzeug war mit 500 Bohrungen im Durchmesser von 0,1 mm und einer Tiefe von 0,5 mm versehen. Die erzeugten Fibrillen wurden auf eine Länge von 1 mm gereckt. Die Temperatur lag bei -50 Grad C für den Kern und 150-180 Grad C für die Oberfläche.

Abstände, Durchmesser und Länge der Fibrillen können im Rahmen der Eigenschaften des verwendeten Thermoplasten sowie der Bearbeitungsmöglichkeiten der Strukturierungs­ fläche des Formwerkzeuges beliebig variiert werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist der Orientierungsgrad der Moleküle in der Fibrillenspitze sehr viel größer als in ihrem Sockel, in den sie jedoch fest integriert ist.

Es ist offensichtlich, daß sich dieses Verfahren zur Herstellung fibrillierter Oberflächen nicht allein auf die Spritzgußtechnik beschränkt, sondern auch mittels anderer bekannter Kunststoff-Verarbeitungsmethoden wie z. B. Preßformen, Blasformen, Walzen oder Extrudieren, je nach Wahl des Thermoplasten, der Einstellung von Druck und Temperaturgradienten verwirklichen läßt.

Ebenso ist die nachträgliche Erzeugung einer strukturier­ ten Oberfläche auf einem vorgefertigten Thermoplast- Formkörper durch Erwärmen seiner Oberfläche auf die Plastifizierungstemperatur und Recken der entstehenden Struktur mittels eines entsprechend bearbeiteten Werk­ zeuges möglich.

Hinsichtlich der Anwendung der beschriebenen Oberflächen existieren verschiedene Möglichkeiten, auf die nachfolgend eingegangen wird.

Das wohl zunächst interessanteste Gebiet einer Anwendung speziell strukturierter Thermoplast-Oberflächen stellt die Filtertechnik dar.

Filterkörper werden in den vielfältigsten Formen und Größen in der Industrie benötigt.

Die bisher in der Filtertechnik verwendbaren maximalen Oberflächen liegen bei 800 m2/m3 Filtermaterial. Wird jedoch fibrilliertes Material verwendet, so läßt sich dieser Wert leicht auf 6000 m2/m3 steigern.

Thermoplastische Filterkörper mit speziell strukturierten Oberflächen können einsatzfertig hergestellt werden, wobei zusätzliche Modifikationen wie etwa die Perforie­ rung der Filterbasis oder Formvarianten problemlos zu verwirklichen sind. Ihre Vorteile liegen u. a. auch in der Korrosionsbeständigkeit, dem relativ geringen Gewicht sowie der leichten Reinigungsmöglichkeit.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit liegt auf dem Gebiet der Medizin. Die Forschung ist hier bereits weit gediehen. Orientierte Kunststoffoberflächen weisen eine erhöhte Benetzbarkeit auf. Im Zusammenhang mit anderen Faktoren begünstigen fibrillierte Oberflächen eine Bioadhäsion. Sie sind deshalb für die Ausrüstung von Implantaten ge­ eignet, da das Zellwachstum durch die Fibrillen angeregt werden kann und eine innige Verbindung zwischen Implantat und Umgebungsgewebe entsteht.

Ein zusätzlicher Vorteil liegt in der Anpassungsmöglich­ keit an die Elastizität der benachbarten bzw. zu ersetzen­ den Körpergewebe (z. B. Knochen, Weichteilgewebe) durch die Wahl von Thermoplasten vergleichbarer Elastizität.

Die natürliche Zahnwurzel beispielsweise ist innerhalb der Alveolen faserartig aufgehängt (Sharpey'sche Fasern) und kann bei Einwirkung des in der Regel sehr hohen Kaudruckes unter optimaler Kraftverteilung auf das umgebende Knochen­ gewebe elastisch reagieren. Ein relativ elastisches Kunst­ stoffimplantat mit fibrillierter Oberfläche imitiert die natürlichen Verhältnisse der schonenden Kraftübertragung auf das umgebende Knochengewebe durch Fasern wesentlich günstiger, als die bisher üblichen Metall- und Keramik­ werkstoffe.

Zum Schutz der Fibrillen vor Schädigung oder Verformung bei der Implantation oder durch das umgebende Gewebe können an der Oberfläche des Implantates zusätzlich feste Strukturen wie Noppen oder Stufen vorgesehen sein, die unerwünschte mechanische Einwirkungen auf die Fibrillen verhindern.

Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der Solartechnik, die sowohl die thermische wie auch die photovoltaische Nutzung der Solarenergie betreibt.

Hinsichtlich der thermischen Nutzung liegen große Chancen eines kostengünstigen Einsatzes strukturierter Oberflächen von Thermoplasten als Strahlungsabsorber z. B. in Sonnen­ kollektoren - allerdings bezogen auf die durch den Kunststoff vorgegebenen Temperaturbereiche.

Für die photovoltaische Nutzung ist eine Vorbehandlung der strukturierten Oberfläche erforderlich. Die Photovol­ taik benutzt sowohl den direkten wie auch den diffusen Anteil der Sonnenstrahlung zur direkten Umwandlung in elektrische Energie durch hochreine, dotierte Halbleiter in Solarzellen. Es kommt bei der Solarzelle darauf an, die Reflexionsverluste an der Oberfläche zu minimieren. Hierzu sind strukturierte, mit entsprechendem Halbleiter- Material beschichtete Oberflächen, insbesondere mit kantigen Fibrillen ausgerüstet, geeignet. Die zwischen den Längskanten der Fibrillen entstehenden Flächen können beim Recken eine konkave Form erhalten und begünstigen die Reflexion des Sonnenlichtes innerhalb der strukturierten Oberfläche, woraus sich eine relative Unempfindlichkeit gegenüber Abweichungen aus der Einstrahlungsrichtung sowie ein verbesserter Wirkungsgrad ergeben.

Die Katalysatortechnik verlangt ebenfalls eine Vorbehand­ lung der strukturierten Oberflächen. Der Thermoplast-Form­ körper dient hierbei als Träger, während die mit dem Kata­ lysator beschichtete, sehr große Oberfläche in idealer Weise die Vorbedingungen für die angestrebte katalytische Reaktion erfüllt. Der Formkörper kann bereits bei der Her­ stellung an die gewünschte Form des Reaktionsraumes ange­ paßt werden und ist in den meisten Fällen und im Rahmen der durch den Kunststoff festgelegten thermischen Grenzen korrosionsbeständig.

Für höhere Reaktionstemperaturen, wie etwa beim Abgaskataly­ sator, kann bei Bedarf ein zusätzlicher Träger als Grund­ beschichtung Verwendung finden, wonach das Thermoplast­ material als "verlorene Schalung" auszuschmelzen ist.

Schließlich bieten sich speziell strukturierte Oberflächen auch zur Verwendung in der Elektrolyse an. Hierbei ist die Beschichtung mit Elektrodenmaterial ebenfalls Voraussetzung für einen infolge der großen Oberfläche effektiven Einsatz.

Zur Beschichtung stehen die bekannten, dem jeweiligen Kata­ lysatormaterial gerecht werdenden Verfahren wie Sputtern, Galvanisieren, Aufdampfen, PECVD und die Ionenimplantation zur Verfügung.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung speziell strukturierter Ober­ flächen thermoplastischer Kunststoff-Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der Eigenschaf­ ten des gewählten Thermoplasten ein hoher Temperaturgradient zwischen der zu strukturierenden Oberfläche und insbeson­ dere der gegenüberliegenden Unter- oder Innenfläche des Formkörpers während seiner Formgebung so eingestellt wird, daß die nicht zu strukturierenden Flächen mindestens auf den Erstarrungspunkt des Thermoplasten abgekühlt werden, während die zu strukturierende Oberfläche im plastifizierten Bereich verbleibt, so daß bei der Entfernung des vorbehan­ delten, formenden Werkzeuges eine Fibrillierung der Ober­ fläche des Thermoplast-Formkörpers erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung des formenden Werkzeuges durch Hoch­ energie-Mikrobearbeitung seiner die Strukturierung erzeu­ genden Fläche, z. B. mittels Laser, erfolgt und die da­ durch erzeugten feinsten Sacklöcher und/oder linienförmige Nuten beim Entfernen des formenden Werkzeuges ein Recken der entstehenden Oberflächen-Fibrillen bewirken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenfibrillen spitze, zylindrische, runde, aufgerauhte, gekrümmte oder membranartige Formen aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Hohlkörpers mit innen liegender Fibrillierung eine umgekehrte Einstellung des Temperatur­ gradienten erfolgt, so daß bei Kühlung der Oberfläche und Heizung eines flexiblen, die Strukturierung erzeugenden Innenwerkzeuges die Fibrillierung durch Entspannen bzw. Schrumpfen des flexiblen Innenwerkzeuges entsteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Formkörpers und seiner speziell strukturierten Oberfläche gleichzeitig und in einem Arbeitsgang erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Formkörpers und seiner speziell strukturierten Oberfläche in getrennten Arbeitsgängen so erfolgt, daß die zu strukturierende Oberfläche des bereits hergestellten Formkörpers nachträglich auf die Plastifi­ zierungstemperatur erwärmt und mittels eines formgebenden Werkzeuges strukturiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß es durch die bekannten Techniken der Kunststoff-Form­ gebung wie Spritzgießen, Pressformen, Blasformen, Walzen, und Extrudieren eingesetzt wird.

8. Thermoelastischer Formkörper hergestellt nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form und Ober­ fläche, dem Filterproblem angepaßt, als Filter eingesetzt wird.

9. Thermoelastischer Formkörper hergestellt nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß er, dem Substitutions­ problem angepaßt, durch die Wahl des Kunststoffes, die Form, die Elastizität und die Strukturierung der Oberfläche oder Teilen davon als medizinisches Implantat eingesetzt wird.

10. Thermoelastischer Formkörper, hergestellt nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß auf wärme- oder kälte­ technischen Gebieten, insbesondere in der Solartechnik als Strahlungsabsorber eingesetzt wird.

11. Thermoplastischer Formkörper, hergestellt nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche mittels bekannter Verfahren halbleiterbeschichtet ist und er photo­ voltaisch zur direkten Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie eingesetzt wird.

12. Thermoelastischer Formkörper hergestellt nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß er mittels bekannter Verfahren mit Katalysator-Material beschichtet ist und als Katalysator-Träger genutzt wird.

13. Katalysatorträger nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seine Oberfläche für höhere Betriebstempe­ raturen mittels bekannter Verfahren zunächst mit einem zusätzlichen Träger sowie mit Katalysatormaterial be­ schichtet ist und daß der Kunststoff anschließend durch Ausschmelzen entfernt wird.

14. Thermoelastischer Formkörper hergestellt nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche mittels bekannter Verfahren zusätzlich mit Elektrodenmaterial beschichtet ist und er als Elektrode in der Elektrolyse verwendet wird.