Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf

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1 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf Direktor: Prof. Dr.-Ing. H. Planck Funktionalisierung von Textilien im Atmosphärenplasma Entwicklung superhydrophober selbstreinigender Textilien mit Lotus-Effect

2 Was ist ein Plasma? Energetisch angeregtes Gas Teilchenzoo : Ionen freie Elektronen Radikale angeregte Moleküle Energie Energie Energie e - * e- + e - + e - * Feststoff Schmelze Gas Plasma

3 Plasmaerzeugung unter Atmosphärendruck Niederdruck Atmosphärendruck U ~ 30 khz O,1 mbar U ~ 30 khz 1 bar Hohe Gasdichte: Entladungskanäle Ziel der Anlagenkonzeption: Entladungskanäle dicht, kurz und energiearm

4 Plasmaerzeugung unter Atmosphärendruck klassische Korona-Technik Metall Metall Aufladung Metall Metall Entladung + - Korona

5 Plasmaerzeugung unter Atmosphärendruck Die Lösung: + + a) Einführung dielektrischer Barrieren Metall Isolator Isolator Metall Metall Isolator Isolator Metall

6 Anwendungen der DBD Dielektrische Barriereentladung Oberflächenbehandlung Chemische Synthese Aktivierung Plasmabeschichtung Ozon! Reinigung Hydrophilierung Vergleichmäßigung Klebe- und Lackierungsvorbehandlung Hydrophobierung Oleophobierung SiO x -Schichten Abgasreinigung

7 Motivation der plasmachemischen Textilbehandlung Neue Produkte (durch Oberflächenmodifikation) Flexiblere Eigenschaftsprofile (durch Kombination von Bulk- und Oberflächeneigenschaften) Hydrophilierung Aktivierung chemische Funktionalisierung Beschichtung permanent ( Ausrüstung ) temporär ( Vorbehandlung ) effizientere Produktionsprozesse (durch Ersatz energieaufwendiger und abwasserintensiver wäßriger Prozesse)

8 Behandlungsziele Aktivierung Plasmabeschichtung Reinigung Hydrophilierung Vergleichmäßigung Klebe- und Lackierungsvorbehandlung a) einfache, schnelle Behandlung für kurz- und langfristige Effekte b ) Vorbehandlung für nachfolgende Prozesse c) dauerhafte Modifikation Prozessgas: i. d. R. Luft z. B. Hydrophobierung Oleophobierung SiO x -Schichten a) aufwendige Behandlung für (meist) langfristige Effekte b) dauerhafte Modifikation Prozessgas: i. d. R. komplexe Gasmischung

9 Vorteile der Atmosphärendruck-Plasmatechnik in der Textilindustrie Trockene Prozessführung Kontinuierlicher Betrieb bei Atmosphärendruck möglich Minimaler Verbrauch an Chemikalien Oberflächenmodifizierung ohne Änderung der Faserstruktur Nahezu alle Faserarten anwendbar.

10 Behandlungsgeschwindigkeiten m / min Koronabehandlung von Folien (ca. 100 m / min) Hydrophilierung von Textilien (ca. 10 m / min) Hydrophobierung von PET (ca. 1 m / min)* Oleophobierung von PET (ca. 0,2 m / min)* * Technikumsanlage ITV große innere Oberfläche von Textilien Behandlungsgeschwindigkeit anlagen- und materialspezifisch

11 Anlagenkonzeptionen zur Textilbehandlung Versuchsanlage mit 2 Meter Arbeitsbreite (Vorbehandlung Aktivierung Hydrophilierung) Halboffene Anlage

12 Beispiel Hydrophilierung von Baumwoll-Kettfäden in der DBD

13 Hydrophilie von Baumwollgarnen Oberflächenspannung Testtinte [mn/m] Spaltweite 1,5 mm Spaltweite 3 mm Dosis [Wmin/m²] Prüfungen mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen Anstieg der Oberflächenspannung Einflüsse: - Spaltweite (Elektrodenabstand) -Dosis Ursache: Abtrag und Funktionalisierung der Baumwollwachse

14 Beschlichtungen am Einzelfaden Unbehandelt 180 Wmin/m Wmin/m 2 Baumwolle Nm34, CMC, B=11% Erhebliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Schlichtemittelverteilung

15 Bsp. Hydrophilierung von Glasgeweben ohne Plasma-Behandlung mit Plasma-Behandlung Verbesserte Benetzung mit Beschichtungsmittel

16 Versuchsanlage mit zwei Elektrodenkammern Arbeitsbreite: 50 cm Anlagenkonzeptionen zur Textilbehandlung gekapselte Anlage

17 Bsp.: Erzeugung von hydrophoben und oleophoben Oberflächen Kanüle Wassertropfen Textil

18 Strukturmodelle CF 3 CF 3 CF 3 CF 3 (CF 2 ) n (CF 2 ) n (CF 2 ) n (CF 2 ) n CF 2 CF 3 CF 2 CF CF CF 2 CF CF 2 CF CF CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 Fluorcarbonausrüstung Ideal: 6 mn/m Fluorcarbon-Plasmaschicht PTFE 18 mn/m

19 Stabilität der Behandlungseffekte Keine pauschale Aussage möglich! (1 Tag bis einige Jahre) abhängig von: Material Fasermaterial Hilfsmittel Behandlungsdauer Behandlungseffekt typisch: kristallin, hoher Schmelzpunkt, hoher Glasübergang (z. B. PET) langandauernde Behandlungswirkung wenig kristallin, niedriger Glasübergang (z. B. PP) kurzfristige Behandlungswirkung Textilhilfsmittel störender Einfluss

20 Langzeitbeständigkeit Koronabehandlung Baumwollgarn Nm Oberflächenspannung [mn/m] unbehandelt 180 Wmin/m² 360 Wmin/m² 720 Wmin/m² Effekt bleibt auch bei Lagerung der Kettbäume erhalten Lagerzeit [Tage]

21 Entwicklung von superhydrophober selbstreinigender Textilien mit Lotus-Effect

22 Biologie und Technik = Bionik

23 Lotuspflanze in Asien Source: Nachtigall

24 Lotusblatt

25 Lotusblatt

26 Lotusblatt

27 Blattquerschnitt (Stiefmütterchen) Europa Source: Nachtigall

28 Strukturierte Unterseite eines Insektenflügels Source: Nachtigall

29 Atmungsöffnungen in der Oberfläche eines Blattes Quelle: Nachtigall

30 Strukturierte Oberfläche der Haut eines Käfers Quelle: Nachtigall

31 Prinzip des Lotus-Effects Basis: Verändertes Benetzungsverhalten hydrophober Oberflächen durch Strukturierung. Superhydrophobie Selbstreinigungsvermögen (Entfernung von Partikeln durch bewegtes Wasser)

32 Young-Gleichung σ LV σ SL α σ SV σ SL = σ SV + σ LV cos α Oberflächenspannungen zwischen: σ SL = Festkörper - Flüssigkeit σ LV = Flüssigkeit - Luft σ SV = Festkörper - Luft

33 glatte und rauhe Oberflächen Einfluss der Struktur hydrophil hydrophob

34 glatt nanostrukturiert nano- und mikrostrukturiert

35 Wassertropfen mit Partikeln auf super hydrophobem Gewebe. Lotus-Effect

36 Prinzip der Selbstreinigungglatte Oberfläche: nicht selbstreinigend-

37 Prinzip der Selbstreinigungmikro- (nano)rauhe Oberfläche: selbstreinigend-

38 drop of mercury on a lotus leaf surface Source: Barthlott

39 Textiles Gewebe als Lotusblatt geformt, bestäubt und mit Wasser gereinigt

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41 Ansprechpartner: Dr.-Ing. Thomas Stegmaier: Dr. Volkmar von Arnim: