Das Institut für Spezialtextilien und flexible Materialien

Transkript

1 Das Institut für Spezialtextilien und flexible Materialien

2 Neue Wege in der Textilveredlung durch chemische und physikalische Gasphasenabscheidung Yvonne Zimmermann, Andreas Neudeck, André Modes, Hartmut Vorwieger, Uwe Möhring Forum Funktionalisierung , Bönnigheim 2

3 Das TITV Greiz Gründung 1992 in Greiz / Thüringen Team 55 Experten Textil, Konfektion, Physik, Chemie, Medizintechnik, Elektrotechnik, Elektrochemie, Material, Physikalische Technik Geförderte Forschungsprojekte Kundenindividuelle Auftragsforschung und -entwicklung Forschungsschwerpunkte - Smart Textiles - Oberflächenfunktionalisierung an Fäden und Flächen - Spezialtextilien Akkreditierte Prüfstelle Workshops/ Seminare/ Konferenzen 3

4 Gliederung Einleitung Funktionalisierung von Fadenmaterialien mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (C-CVD) Zusammenfassung 4

5 Einleitung Smart Textiles sind Textilien, die über zusätzliche spezifische funktionelle Eigenschaften verfügen, die mit traditionellen Textilien üblicherweise nicht in Zusammenhang gebracht werden, Textilien mit (selbst)leuchtenden Flächen Textilien, die über Sensor- / Aktuatorfähigkeiten verfügen oder Formveränderliche Textilien Für die optimale Integration dieser Funktionen in Textilien sind funktionalisierte Garne erforderlich. 5

6 Leitfähiges Garn ELITEX Galvanische Abscheidung von Silber, Gold, Platin, Kupfer, Zink, etc.; Elektrochemische Modifizierung der metallisierten Fadenmaterialien 6

7 Gliederung Einleitung Funktionalisierung von Fadenmaterialien mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (C-CVD) Zusammenfassung 7

8 Motivation Warum PVD an Garnen? Derzeit handelsübliche bzw. verfügbare leitfähige Garne: Lediglich auf der Basis von Polyester und Polyamid Ungleichmäßige Metallschichten nach nasschemischer Vormetallisierung, Fehlstellen, Haftungsprobleme Kupfer auf Polyester Silber auf Polyamid Deutlich begrenzte thermische oder auch chemische Belastbarkeit Anspruchsvolle Anwendungen, wie zum Beispiel im Hochtemperaturbereich oder bei hoher mechanischer Belastung, derzeit nicht oder nur eingeschränkt möglich 8

9 Metallisierung verschiedener Monofilamente 9

10 Charakterisierung der metallisierten Garne Widerstandsmessung REM-Aufnahmen REM-EDX-Analyse TESA-Test Metallauflage (über ICP-OES) Verarbeitungsversuche an Textilmaschinen 10

11 Charakterisierung der metallisierten Garne 11

12 Aktuelle Entwicklungen im TITV Greiz 12

13 Aktuelle Entwicklungen im TITV Greiz Kontinuierliche Metallisierung von Hochleistungsgarnen (PEEK) Beispiel: Verarbeitung in der Weberei als Schussmaterial PEEK-Monofilament, beschichtet mit Kupfer, in einer gewebten Struktur Innokom Ost MF : Leitfähige Hochleistungsgarne 13

14 Gliederung Einleitung Funktionalisierung von Fadenmaterialien mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (C-CVD) Zusammenfassung 14

15 Einführung: C-CVD-Technologie Verfahren C-CVD = combustion chemical vapour deposition Flow Controller Nanomiser Device Zugabe eines Precursors zum Brenngas Filter Flame Substrate Flamme wird dicht über das Substrat geführt Solution Pump Gas commons.wikimedia.org 15

16 Wachstumskern J-1013 Bisherige Technologien Einschichtverfahren mit geringer Beständigkeit z. B. Antireflexglas Funktionsschicht Substrat oder Funktionalisierung des Substrats z. B. Antimikrobielle Schichten Substrat J-1013 Technologie Mehrschichtverfahren mit hoher Beständigkeit Funktionsschicht Nanostartschicht (J-1013 Zwischenschicht) Substrat Gewünschte Oberflächeneigenschaften des Produktes Zwischenschicht J-1013 als Bindeglied zwischen Substrat und Funktionsschicht Oberflächeneigenschaften des Substrats (z.b. unpolar bei Polypropylen) 16

17 C-CVD für Textilien Nanostartschicht Vorteile C-CVD Technologien zur Oberflächenfunktionalisierung aus der Gasphase werden unter Normaldruck ohne aufwändige Vakuumtechnik auf Garne und textile Flächengebilde übertragen. Haftvermittlerschichten ermöglichen eine permanente Anbindung funktioneller Schichten an Substrate aus Naturfasern oder synthetischen Fasern. Herausforderung Durchläuft ein textiles Substrat eine Flamme, wird eine erhebliche Wärmemenge übertragen. 17

18 Vorbetrachtungen zur Wärmeübertragung 18

19 Beschichtungsanlage für Fadenmaterialien 19

20 Einflussfaktor: Textiles Substrat Textiles Substrat Faserstoff und deren Eigenschaften Naturfaser, Chemiefaser PES-Monofilament PES-Multifilament Struktur/ Morphologie offen, geschlossen Verhältnis Volumen zur Oberfläche Faden: Mono- und Multifilament, Stapelfaser, Zwirn Fläche: Gewebe, Gestrick, Gewirke, Vliesstoff Textilphysikalische Kennwerte Spezifische Wärmeleitfähigkeit, Schmelzpunkt Faden: Feinheit, Filamentanzahl, Drehungen, Reißfestigkeit, Fläche: Flächengewicht, Festigkeit, Maßänderung, 20

21 Si-Konzentration (%) Einflussfaktoren auf die Abscheidungsrate Verweilzeit des textilen Substrates in der Flamme Abstand zwischen Brenner und textilem Substrat Zugeführte Precursormenge Leistung des Brenners 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Zusammenhang Geschwindigkeit / Verweilzeit und Si- Konzentration (37 DL / Abstand: 8mm) 66 / 336,5 99 / 224,3 165 / 134,6 PES, Nm 46/2 (Coregarn) Stapelfaserzwirn 247 / 98,7 330 / 67,3 495 / 44,9 Geschwindigkeit / Verweilzeit (m/min / ms) 21

22 Nachweis der Schichtbildung 22

23 Nachweis der Haftfestigkeitserhöhung (Ermittlung von Trennkräften) PES Multifilament (54 dtex) ohne CCVD-Behandlung mit CCVD-Behandlung 23

24 Antibakterielle Ausrüstung 24

25 Korrosionsschutz für versilberte Garne Abscheidung einer SiO x -Schicht mittels C-CVD Korrosionstest von ELITEX bei unterschiedlichen Vorbehandlungen Ermittlung der Stromstärke in NaCl-Lösung Verbesserung des Korrosionsschutzes um ca. 60% durch C-CVD und Sol Gel Verfahren J1013: 03WKBR13B 25

26 Metallisierung Metallisierung durch chemische Verfahren und Galvanotechnik C-CVD + SolGel (silberhaltig) + Verkupfern im Becherglas Flächenware Fadenmaterial J1013: 03WKBR11D 26

27 Gliederung Einleitung Funktionalisierung von Fadenmaterialien mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (C-CVD) Zusammenfassung 27

28 Zusammenfassung C-CVD Die CVD Technologie ist eine kosteneffektive Methode zur Applikation dünner Nanostartschichten sowohl auf Garnen als auch auf textilen Flächen. Für jedes textile Substrat sind spezifische Prozessparameter erarbeitet worden, um eine gleichmäßige Schichtbildung mit guter Haftung zu erreichen. Die abgeschiedene Schicht ist abhängig vom Substrat, der Morphologie der Oberfläche und den gewählten Prozessparametern. Die Nanostartschicht schafft eine chemisch identische Oberfläche auf Naturfasern und Chemiefasern. Auf den Nanostartschichten können die unterschiedlichsten Funktionsschichten unabhängig vom Substrat abgeschieden werden. 28

29 Zusammenfassung PVD Grundsätzlich sind alle bisher untersuchten Garnmaterialien für die Erzeugung von haftfesten Metallschichten mittels PVD geeignet. Bei allen verwendeten Monofilamenten konnten homogene Schichten mit vergleichsweise wenigen und kleinen Fehlstellen erzielt werden. Die Anlagenparameter sind an die Eigenschaften der verschiedenen Garne anzupassen, um optimale Ergebnisse zu erreichen. Die Haftung der Metallschicht auf den Substraten kann durch Bildung von Multilayerschichten aus verschiedenen Materialien deutlich positiv beeinflusst werden. 29

30 Ausblick: Potenzielle Anwendungen Haftfeste und gleichmäßige Vormetallisierung aus Kupfer mittels PVD Verfahren auf textilen Fadenmaterialien Erweiterung der Möglichkeiten der Herstellung metallisierter Fadenmaterialien Homogene, defektfreie Metallschichten mit guter Haftung auf Monofilamenten für weiterführende Anwendungen (z.b. fadenförmige Sensorbauteile) 30

31 Danksagung Mitarbeitern des TITV Greiz Allen beteiligten Projektpartnern An BMBF, BMWi, TAB für die finanzielle Unterstützung der vorgestellten Projekte 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Textilforschungsinstitut Thüringen Vogtland e. V. Zeulenrodaer Straße Greiz Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) mail@titv-greiz.de Dr. Yvonne Zimmermann Tel.: / y.zimmermann@titv-greiz.de Das Institut für Spezialtextilien und flexible Materialien 32